一种水下面阵扫描激光成像装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种水下面阵扫描激光成像装置，所述装置包括：运载器(l)、电学模块(19)和成像模块(18)；所述运载器(1)是整个装置的外壳，所述电学模块(19)包括照明激光器(15)、组合惯导(16)和控制处理单元(17)；所述电学模块(19)的各部件固定在安装板(22)两侧，通过安装板(22)与运载器(1)固定；所述成像模块(18)包括纵摇伺服机构(5)、横滚伺服机构(6)和光学成像模组(14)，所述光学成像模组(14)包括成像镜头(7)、滤光片(8)、选通成像传感器(9)和照明镜头(l0)；所述照明激光器(15)发射的激光通过传能光纤(11)传输至照明镜头(10)。本发明专利技术的装置具有小型化，能够在水下实现面阵扫描的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种水下面阵扫描激光成像装置及方法
本专利技术涉及水下成像
，具体涉及一种水下面阵扫描激光成像装置及方法。
技术介绍
高分辨率、大视场水下成像在水下地形地貌测绘、海底石油管线及光缆维护勘测、水下失事船只及飞机残骸搜索、水雷探测等领域具有重要的民用及军用意义。声呐成像是利用声波判断海洋中物体的存在、位置及类型，具有视野宽、测距范围大等优点。但是由于水声信道复杂，受环境影响较大(如海洋温跃层)，与光学图像相比，水声图像的分辨率低、噪声严重，图像质量不高，且在近距离存在盲区，无法有效探测小目标，不利于石油管线及光缆等小目标的识别。光学成像则是直接获取目标的光学图像，具有信息量大、灵敏度高、测量精度高、响应快、抗电磁场干扰能力强、非接触探测等优点，在较近距离内也具有很高的分辨率，所获得的信息丰富，识别精度比较高，利于小目标探测识别。目前水下光学成像主要是主动成像，即采用蓝绿光或白光光源进行照明，采用CCD或CMOS作为成像器件采集照明视场内目标的信息。水下主动光学成像主要有两种：一是连续光照明的水下成像技术，如中国海洋大学提出了一种环形激光照明的水下成像装置(中国专利技术专利，申请号：201010293845.6)；一种是脉冲光照明的距离选通成像技术，如北京理工大学提出一种基于电子快门的水下距离选通成像方法(中国专利技术专利，专利号ZL201010238852.6)。连续光照明的水下光学成像作用距离较近，一般为1～2倍衰减长度，主要原因是水的后向散射影响了工作距离：相比于连续光照明的水下成像，水下距离选通成像可有效的抑制水的后向散射，将工作距离提到5～7倍衰减长度。虽然水下距离选通成像提高了水下探测距离，但是，成像视场小，当搭载水下潜航器等动平台进行水下作业时易丢失目标，当进行水下地形地貌勘测或管线勘察维护等作业时，不利于大视场作业，从而带来扫描路径规划难及工作效率低等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服目前水下扫描技术存在的上述缺陷，提出了一种水下面阵扫描激光成像装置，该装置能够解决水下远距离大视场光学成像难的问题，能够实现水下大视场三维成像。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种水下面阵扫描激光成像装置，所述装置包括：运载器l、电学模块19和成像模块18；所述运载器1是整个装置的外壳，所述电学模块19包括照明激光器15、组合惯导16和控制处理单元17；所述电学模块19的各部件固定在安装板22两侧，通过安装板22与运载器1固定；所述成像模块18包括纵摇伺服机构5、横滚伺服机构6和光学成像模组14，所述纵摇伺服机构5通过转接板24与运载器1固定，所述纵摇伺服机构5利用刚性支架21负载横滚伺服机构6，所述横滚伺服机构6直接负载光学成像模组14；所述横滚伺服机构6用于实现横向扫描和横向修正瞄准线；所述纵摇伺服机构5用于实现纵向扫描和纵向修正瞄准线功能，并通过纵摇不同角度实现前视模式和下视模式的切换；所述光学成像模组14包括成像镜头7、滤光片8、选通成像传感器9和照明镜头l0；所述照明激光器15发射的激光通过传能光纤11传输至照明镜头10。上述技术方案中，所述运载器1上设有插头2连接线缆，实现与无人潜器25进行信息交互及电力供应；运载器1整体外观呈圆柱形，头部呈球形，头部具有前视光学窗4，腹部具有下视光学窗口3。上述技术方案中，所述组合惯导16，用于获得运载器1的姿态参数，包括质心的实时平移矢量、航向、纵摇和横滚姿态角信息，并将这些信息传输至制处理单元17。上述技术方案中，所述控制处理单元17包括：通信子单元、图像处理子单元和伺服控制子单元；所述通信子单元，用于接收通过插头2传入的上位机的控制命令，向上位机上传图像处理子单元生成的图像数据信息；所述伺服控制子单元，用于接收组合惯导16发送的信息，产生控制纵摇伺服机构5和横滚伺服机构6的控制命令；所述图像处理子单元，用于接收选通成像传感器9的图像信息，进行图像拼接、三维图像处理和合成全景图。上述技术方案中，所述选通成像传感器9为整个装置的成像器件，由像增强器经光锥耦合至面阵图像传感器构成，用于将成像镜头7接收的目标激光回波信号转换成电信号，并输出二维图像至控制处理模块17的图像处理子单元；选通成像传感器9所采用的面阵图像传感器为CCD或CMOS，对应形成两种选通成像传感器ICCD和ICMOS，其中，选通ICCD由选通像增强器经光锥耦合至CCD构成，选通ICMOS由选通像增强器经光锥耦合至CMOS构成。上述技术方案中，所述成像模块18还包括反光镜20，负载于横滚伺服机构6上，布置在光学成像模组14前，将照明镜头10发出的激光反射到指定方向上，将从目标反射回的激光反射到成像镜头7上，也就是将光学成像模组的光轴指向指定方向上。上述技术方案中，所述成像模块18还包括搜索引导与测距单元，用于搜索探测照明激光器15发出的激光照射区域的目标并测量目标的距离，然后将距离信息反馈给所述控制处理单元17；所述搜索引导与测距单元包括接收镜头12和光电探测器13，照明激光器15为搜索引导与测距单元提供纳秒级激光脉冲，通过时延信息进行测距；所述控制处理单元17还包括测距处理子单元，用于接收搜索引导与测距单元传入的目标距离信息，并将距离信息换算成延时信息，产生控制选通成像传感器9和照明激光器15的工作时序，实现水下距离选通成像。基于上述水下面阵扫描激光成像装置，本专利技术还提供了一种水下面阵扫描激光成像方法，所述方法包括：步骤1)所述控制处理单元17接收无人潜器25的控制命令，根据控制命令设置工作模式；所述工作模式的类型为前视模式或后视模式；步骤2)如果工作模式为前视模式，转入步骤3)；如果工作模式为后视模式，转入步骤4)；步骤3)纵摇伺服机构5通过刚性支架21将横滚伺服机构6负载的光学成像模组14的光轴方向调节至运载器1的航向方向上，通过横滚伺服机构6的实现横向面阵扫描成像；步骤4)纵摇伺服机构5通过刚性支架21将横滚伺服机构6负载的光学成像模组14的光轴指向地心；纵摇伺服机构5和横滚伺服机构6配合进行面阵扫描成像；步骤5)控制处理处理单元17的图像处理子单元接收选通成像传感器9发送的图像，对图像进行拼接合成刈宽度为nα的全景图；步骤6)控制处理处理单元17的通信子单元向无人潜器25上传图像数据信息。上述技术方案中，所述步骤3)中的横滚伺服机构6的实现横向面阵扫描成像的具体过程为：横滚伺服机构6沿横向步进n-1次，每次横向步进量为α，通过横向扫描实现横向n帧扫描，扫描刈宽度为nα，其中α是水下距离选通成像单次成像横向视场，在此过程中，纵摇伺服机构5和横滚伺服机构6根据组合惯导16给出的运载器1的姿态参数产生与干扰力矩大小相等、方向相反的控制力矩，对纵向和横向两个自由度进行补偿，抵消洋流和涌的扰动，使瞄准线能够在选通成像传感器9积分时间内保持给定指向，从而实现横向扫描获得的n帧图像的连续拼接，进而实现运载器1前方刈宽度为nα的宽场扫描。上述技术方案中，所述步骤4)中的纵摇伺服机构5和横滚伺服机构6配合进行面阵扫描成像的具体过程为：横滚伺服机构6沿横向步进n-l次，每次横向步进量为α，通过横向扫描实现横向的n帧扫描，扫描刈宽度为nα，纵摇伺服机构5进行运载器航速补偿，沿纵向步进补偿n-l次，每次本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下面阵扫描激光成像装置，所述装置包括：运载器(l)、电学模块(19)和成像模块(18)；所述运载器(1)是整个装置的外壳，所述电学模块(19)包括照明激光器(15)、组合惯导(16)和控制处理单元(17)；所述电学模块(19)的各部件固定在安装板(22)两侧，通过安装板(22)与运载器(1)固定；所述成像模块(18)包括纵摇伺服机构(5)、横滚伺服机构(6)和光学成像模组(14)，所述纵摇伺服机构(5)通过转接板(24)与运载器(1)固定，所述纵摇伺服机构(5)利用刚性支架(21)负载横滚伺服机构(6)，所述横滚伺服机构(6)直接负载光学成像模组(14)；所述横滚伺服机构(6)用于实现横向扫描和横向修正瞄准线；所述纵摇伺服机构(5)用于实现纵向扫描和纵向修正瞄准线功能，并通过纵摇不同角度实现前视模式和下视模式的切换；所述光学成像模组(14)包括成像镜头(7)、滤光片(8)、选通成像传感器(9)和照明镜头(l0)；所述照明激光器(15)发射的激光通过传能光纤(11)传输至照明镜头(10)。

【技术特征摘要】
1.一种水下面阵扫描激光成像装置，所述装置包括：运载器(l)、电学模块(19)和成像模块(18)；所述运载器(1)是整个装置的外壳，所述电学模块(19)包括照明激光器(15)、组合惯导(16)和控制处理单元(17)；所述电学模块(19)的各部件固定在安装板(22)两侧，通过安装板(22)与运载器(1)固定；所述成像模块(18)包括纵摇伺服机构(5)、横滚伺服机构(6)和光学成像模组(14)，所述纵摇伺服机构(5)通过转接板(24)与运载器(1)固定，所述纵摇伺服机构(5)利用刚性支架(21)负载横滚伺服机构(6)，所述横滚伺服机构(6)直接负载光学成像模组(14)；所述横滚伺服机构(6)用于实现横向扫描和横向修正瞄准线；所述纵摇伺服机构(5)用于实现纵向扫描和纵向修正瞄准线功能，并通过纵摇不同角度实现前视模式和下视模式的切换；所述光学成像模组(14)包括成像镜头(7)、滤光片(8)、选通成像传感器(9)和照明镜头(l0)；所述照明激光器(15)发射的激光通过传能光纤(11)传输至照明镜头(10)。2.根据权利要求1所述的水下面阵扫描激光成像装置，其特征在于，所述运载器(1)上设有插头(2)连接线缆，实现与无人潜器(25)进行信息交互及电力供应；运载器(1)整体外观呈圆柱形，头部呈球形，头部具有前视光学窗(4)，腹部具有下视光学窗口(3)。3.根据权利要求1所述的水下面阵扫描激光成像装置，其特征在于，所述组合惯导(16)，用于获得运载器(1)的姿态参数，包括质心的实时平移矢量、航向、纵摇和横滚姿态角信息，并将这些信息传输至制处理单元(17)。4.根据权利要求1所述的水下面阵扫描激光成像装置，其特征在于，所述控制处理单元(17)包括：通信子单元、图像处理子单元和伺服控制子单元；所述通信子单元，用于接收通过插头(2)传入的上位机的控制命令，向上位机上传图像处理子单元生成的图像数据信息；所述伺服控制子单元，用于接收组合惯导(16)发送的信息，产生控制纵摇伺服机构(5)和横滚伺服机构(6)的控制命令；所述图像处理子单元，用于接收选通成像传感器(9)的图像信息，进行图像拼接、三维图像处理和合成全景图。5.根据权利要求1所述的水下面阵扫描激光成像装置，其特征在于，所述选通成像传感器(9)为整个装置的成像器件，由像增强器经光锥耦合至面阵图像传感器构成，用于将成像镜头(7)接收的目标激光回波信号转换成电信号，并输出二维图像至控制处理模块(17)的图像处理子单元；选通成像传感器(9)所采用的面阵图像传感器为CCD或CMOS，对应形成两种选通成像传感器ICCD和ICMOS，其中，选通ICCD由选通像增强器经光锥耦合至CCD构成，选通ICMOS由选通像增强器经光锥耦合至CMOS构成。6.根据权利要求1-5所述的水下面阵扫描激光成像装置，其特征在于，所述成像模块(18)还包括反光镜(20)，负载于横滚伺服机构(6)上，布置在光学成像模组(14)前，将照明镜头(10)发出的激光反射到指定方向上，将从目标反射回的激光反射到成像镜头(7)上，也就是将光学成像模组的光轴指向指定方向上。7.根据权利要求1-5所述的水下面阵扫描激光成像装置，其特征在于，所述成像模块(18)还包括搜索引导与测距单元，用于搜索探测照明激光器(15)发出的激光照射区域的目标并测量目标的距离，然后将距离信息反馈给所述控制处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：王全喜，王新伟，肖昌美，李庶中，李广良，周燕，赵江，张鹏，李越强，姚林海，柳秋兴，
申请(专利权)人：中国人民解放军九二二三二部队，中国科学院半导体研究所，西安应用光学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11