CN100445800C - 水下目标激光线扫描成像装置 - Google Patents

Abstract

一种水下目标激光线扫描成像装置。包括由水下带透明窗口的外壳内的激光器及其前面的扩束镜、平凹柱面镜与全反射镜构成的激光发射装置，和带透明窗口的外壳内的接收装置及水上的图像处理装置，其特征是在同一基准平面上的发射装置与接收装置是分体的，且发射装置的发射光轴、可调的接收装置的接收光轴和目标中心在同一平面上，发射装置包括安装在基座上的激光器、扩束镜、平凹柱面镜和固定在电机转动轴上的全反射镜且共轴。使用时由潜水员背负或搭载于水下潜器有缆水下机器人或船舶上，在远距离情况下能产生标准视频信号，并获得实时清晰图像。且体积小、重量轻、能耗低，小型化，可以广泛的应用于军事和科研上。

Description

水下目标激光线扫描成像装置

技术领域

本发明属于水下激光成像装置，更具体地说是一种水下目标激光线扫描成像装置。

背景技术

已有的水下激光成像技术中，主要解决水下激光传播过程中的后向散射问题，通常采用距离选通法和飞线扫描法。虽然这两种技术在水下探测方面取得了可喜的成绩，但也存在着许多不足之处。距离选通和飞线扫描装置所用原器件都较复杂、价格昂贵，且这两种装置的体积、重量、能耗都很大，仅可用于大型水下潜器上，因此目前水下激光成像技术尚不能达到小型化、集成化及实用化的目的。

而近几年发展的飞线扫描技术多采用同步扫描方式，发射激光与接收光的光学多面体要保持严格的同步比较困难，且扫描镜复杂，造价较高，成像处理较难。这些原因大大影响了激光飞线扫描的推广使用。

发明内容

本发明目的是提供一种能实时成像的水下目标激光线扫描成像装置，以克服现有技术的不足。

本发明包括由水下带透明窗口的水密外壳内的激光器及其前面的扩束镜、平凹柱面镜与全反射镜构成的激光发射装置，和带透明窗口的水密外壳内的接收装置及水上的图像处理装置以同步处理实时显示探测目标，其特征是在同一基准平面上的发射装置与接收装置是分体的，且发射装置的发射光轴、可调的接收装置的接收光轴和目标中心在同一平面上，发射装置包括安装在基座上的共轴的激光器、扩束镜、平凹柱面镜和固定在电机转动轴上的全反射镜，电机转动轴平行于全反射镜镜面，且过全反射镜圆心。

电机采用混合式57BY203型步进电机，该电机优点是方便进行控制，可调速、准确定位且没有积累误差。上述激光器为532nm半导体泵浦全固体绿色YAG激光器。

摄像机采用数字CCD摄像机，摄像机输出的数字信号可以直接输入图像处理装置(DSP)处理，同时数字信号在传输中的损耗很小，可以不考虑电缆造成的高频损耗。

图像处理装置具有灵活性大、可靠性高和易于集成的优点，以及运算处理的实时，高速、可重复、数值运算密集型的数字运算。数字信号处理器采用TITMS320C64x系列通过电缆连接摄像机，从而可实现实时成像的目的。

附图说明

图1激光线扫描成像装置及工作原理图。

图2激光发射装置结构示意图。

其中：1、激光器2、扩束镜3、平凹柱面镜4、全反射镜5、发射装置6、带密封透明窗口的外壳7、图像处理装置8、电缆9、接收装置10、摄像机11、带密封透明窗口的外壳12、基座13、电机。

具体实施方式：

如图1、2，本发明包括由水下带透明窗口的水密外壳6内的激光器1及其前面的扩束镜2、平凹柱面镜3与全反射镜构成的激光发射装置5，和带透明窗口的水密外壳11内的接收装置9，及电缆8连接的水上的图像处理装置7以同步处理实时显示探测目标，其特征是在同一基准平面上的发射装置5与接收装置9是分体的，且发射装置5的发射光轴、可调的接收装置9的接收光轴和目标中心在同一平面上。

发射装置5包括安装在基座12上的激光器1、扩束镜2、平凹柱面镜3和固定在电机13转动轴上的全反射镜4而且共轴，电机13转动轴平行于全反射镜4镜面，且过全反射镜4圆心。

如图1，激光器1发出的激光束经扩束镜2，通过平凹柱面镜3形成线光源，激光线投射到全反射镜4上，采用的步进电机13可调速并可准确定位，这样就可以控制扫描的角速度，张角范围和起始、终止位置，带动全反射镜4将激光线反射出去，使其在一定的区域内往返振荡扫描，达到照亮目标的目的。

然后再由数字CCD摄像机10接收目标信号，用图像处理装置7(DSP)将数字CCD摄像机10所拍摄到每一帧图像中的有效信号提取出来，将多帧视频压缩为数量较少但均为有效信号的视频流，最后通过模拟视频重组芯片输出接口输出到液晶显示器上。

发射装置5和接收装置9放置于不同的两个密封筒内-带密封透明窗口的外壳11、12，并保持一定距离，使其照射光路和拍摄视线成一定角度。一方面，可以有效压制近距离水体散射光的干扰；另一方面，片状激光照射区域的“形变”能够间接反映出被观测目标物体的外形几何特征，数字CCD摄像机10在侧向可以很好地将其记录下来，实现三维立体成像。

激光器1为532nm半导体泵浦全固体绿色YAG激光器，三倍扩束镜2将激光扩束，平凹柱面镜3(焦距为-80mm)使激光变为片状光源，由步进电机13控制的全反射镜4对物体进行扫描。为减小水密外壳的尺寸三倍扩束镜2前端应紧贴激光出射口，后端与平凹柱面镜3相距为3mm，全反射镜4与平凹柱面镜3距25mm为宜，全反射镜4在步进电机13控制下可实现90°角往复偏转。数字CCD摄像机10与激光光源距离的大小根据后向散射效应的要求而定。

与传统的同步式激光扫描装置相比较，本发明可称之为振镜式激光线扫描装置，具体说本发明是利用步进电机13控制全反射镜4进行激光线扫描，利用数字CCD摄像机10接收目标信号，经过图像处理装置7(DSP)的同步图像处理，实时显示探测目标，达到在各类水质中对目标进行快速有效探测。

本发明由于使用了步进电机13对全反射镜4扫描进行控制，对目标进行均匀扫描，光发射与接收装置9分离，因此可稳定获得标准视频信号。本发明采用了图像处理装置DSP对视频信号进行处理，可以实时获得目标图像信息。

用步进电机13控制全反镜来实现对目标扫描，与传统的由两个同轴光学多面体进行同步扫描相比，本发明使得发射与接收装置9结构更简单，克服飞线扫描发射光与接收光难于同步，成像处理比较难的问题，降低了成本，减小了装置的体积。

本发明克服了飞线扫描发射光与接收光难于同步的问题，在远距离情况下能产生标准视频信号又能获得清晰图像的激光扫描成像装置。而且体积小、重量轻、能耗低可达到实用化、小型化的目标。

本发明使用时可以由潜水员独立背负或搭载于水下潜器有缆水下机器人(ROV)，水下自治式潜器(AUV)和船舶上，进行灵活机动的水下探测，在大洋水中能够探测25m至60m之间甚至更远距离的水下目标，包括水雷、海底障碍以及海底地形等，获得清晰目标图像。因此，本装置不但能解决飞线扫描发射光与接收光难于同步，在远距离情况下不能产生标准视频信号，还能获得实时清晰图像。本发明体积小、重量轻、能耗低可达到实用化、小型化的目标，具有广阔的科研、军用和民用市场前景。

Claims (4)

1.一种水下目标激光线扫描成像装置，包括水下的带密封透明窗口的外壳(6)内的激光器(1)及其前面的扩束镜(2)、平凹柱面镜(3)与全反射镜(4)构成的激光发射装置(5)，和带透明窗口的水密外壳(11)内的接收装置(9)，及电缆(8)连接的水上的图像处理装置(7)以同步处理实时显示探测目标，其特征是在同一基准平面上的发射装置(5)与接收装置(9)是分体的，且发射装置(5)的发射光轴、可调的接收装置(9)的接收光轴和目标中心在同一平面上，上述激光器(1)为532nm半导体泵浦全固体绿色YAG激光器。

2.如权利要求1所述的水下目标激光线扫描成像装置，其特征是上述发射装置(5)包括安装在基座(12)上的激光器(1)、扩束镜(2)、平凹柱面镜(3)和固定在电机(13)转动轴上的全反射镜(4)，其中激光器(1)、扩束镜(2)、平凹柱面镜(3)和全反射镜(4)共轴，电机(13)转动轴平行于全反射镜(4)镜面，且过全反射镜(4)圆心。

3.如权利要求1所述的水下目标激光线扫描成像装置，其特征是上述实时显示探测目标的图像处理装置(7)是数字信号处理器(DSP)。

4.如权利要求2所述的水下目标激光线扫描成像装置，其特征是上述电机(13)为步进电机。

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