CN106767722B - 一种基于双摄像头的水下湍流强度探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双摄像头的水下湍流强度探测装置，属于水域湍流分布探测领域。为了解决现有技术中的湍流强度探测技术无法通过光学探测手段同时测量水体环境中不同距离处湍流强度，以及不适用于开阔海域中的湍流测量的缺点，而提出一种基于双摄像头的水下湍流强度探测装置包括由透光防水窗口与防水封装组成的防水壳体，透光防水窗口设置在防水壳体的一侧，壳体内部设置有连续性激光器、左摄像头以及右摄像头，透光防水窗口用于使连续性激光器发射的光束射入水中，光束射入水中后发生散射，左摄像头以及右摄像头用于拍摄散射后的光束。本发明适用于海洋环境观测。

Description

一种基于双摄像头的水下湍流强度探测装置

技术领域

本发明涉及一种基于双摄像头的水下湍流强度探测装置，属于水域湍流分布探测领域。

背景技术

水域湍流分布是海洋环境观测的重要指标之一，对湍流分布的观测在国家海洋安全中有重要作用。有大量文献证实潜艇等人造水下航行物游过的深海水域会长时间存在湍流，对湍流的测量成为水下航行物跟踪监测的重要技术手段。

目前，针对水域湍流分布的测量以光学方法为主，例如郑焱等研究人员于2016年申请公开的一种湍流流场多尺度的测量系统及其测量方法(公开号：105841921A)，该方法使用流场示踪粒子，结合激光器和摄像机，通过拍摄粒子运动轨迹，实现对湍流的测量，但该方法须在流体中添加大量示踪粒子，该方法不适用于开阔海域中的湍流测量。刘继芳等研究人员于2008年公开了基于激光光斑漂移的水中动态目标尾迹探测系统及方法(公开号：101533105)，但该方法所使用透射式结构，仅可测量装置所在水域有无湍流，不能实现对不同位置的湍流强度的同时探测。而现有的针对大气湍流测量的手段结构复杂，且仅适用于长距离、低杂质的大气测量，不适用于短距离、高密度杂质的水体环境。

综合上述发明进展，目前针对水体湍流的光学探测手段尚不成熟，还没有能够同时测量水体环境中不同距离处湍流强度的装置和方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的湍流强度探测技术无法通过光学探测手段同时测量水体环境中不同距离处湍流强度，以及不适用于开阔海域中的湍流测量的缺点，而提出一种基于双摄像头的水下湍流强度探测装置。

一种基于双摄像头的水下湍流强度探测装置，包括由透光防水窗口与防水封装组成的防水壳体，所述透光防水窗口设置在所述防水壳体的一侧，所述壳体内部设置有连续性激光器、左摄像头以及右摄像头，所述透光防水窗口用于使所述连续性激光器发射的光束射入水中，所述光束射入水中后发生散射，所述左摄像头以及右摄像头用于拍摄散射后的光束。

本发明的有益效果是：通过拍摄光束进行检测，可适用于开阔海域中的湍流测量；可以探测装置前方不同距离处的湍流强度；通过调节摄像头的角度、位置可以变更探测的空间范围。

附图说明

图1为本发明的基于双摄像头的水下湍流强度探测装置的结构示意图；

图2为本发明基于双摄像头的水下湍流强度探测装置的从另一角度观察的结构示意图；

图3为左摄像头拍摄到的光束图像；

图4为右摄像头拍摄到的光束图像；

图5为计算湍流强度的流程图；

图6为湍流强度随纵向索引变化的分布图；

图7为湍流强度随纵向距离变化的分布图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的基于双摄像头的水下湍流强度探测装置，如图1所示，包括由透光防水窗口3与防水封装4组成的防水壳体，所述透光防水窗口3设置在所述防水壳体的一侧，所述壳体内部设置有连续性激光器1、左摄像头2以及右摄像头6，所述透光防水窗口3用于使所述连续性激光器1发射的光束5射入水中，所述光束5射入水中后发生散射，所述左摄像头2以及右摄像头6用于拍摄散射后的光束。

可以看出，本发明的装置结构简单，并通过摄像头拍摄光束图像。不同于现有技术需要添加示踪粒子导致原理复杂，无法用于开阔海域的缺陷，也不同于现有技术中由于使用投射式结构，使得装置仅能测量有无湍流，不能实现对不同位置的湍流强度进行探测的特点。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：左摄像头和右摄像头的相对位置关系为：

使得左摄像头和右摄像头拍摄到的光束图像相互对称，并且图像中的光束不平行于图像的横轴；以及图像中的光束的上端达到图像的顶端。如图3和图4所示。

光束应当不平行于图像横轴，这样限制是为了使拍摄到的光束图像的纵向索引不是固定值而是变化值，这样能起到测量不同位置湍流强度的特点。如果光束平行于图像横轴，则仅能测出一组湍流强度值。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：

摄像头的图像传感器分辨率为a×b，摄像头的图像传感器尺寸为c×g，尺寸的单位为长度单位，例如mm或者cm，左摄像头经过k次拍摄采样得到的图像数据为L_k，右摄像头经过k次拍摄采样得到的图像数据为R_k；L_k、R_k上第i行第j列的数据分别为L_k(i,j)、R_k(i,j)，(i,j)称为对应像素点的索引，i为纵向索引，j为横向索引；其特征在于，湍流强度S_i与探测距离l_i的关系由如下公式求出：

其中，i为所述图像上像素点的纵向索引，S_i为索引为i的像素对应的湍流强度，l_i和l_i-1分别表示索引为i和i-1的像素点与摄像头镜头中心的纵向距离，和分别为索引i和i+1对应的质心距离指标的均方差，f为摄像头焦距，a为随着探测距离变化的常数，d为两个摄像头镜头中心的间距，D为镜头直径，B为比例函数，B(x,y)为贝塞尔函数，Γ为伽马函数。

需要说明的是，比例函数B与贝塞尔函数B(x,y)是不同的函数，比例函数B等同于表达式而贝塞尔函数是本领域内的另一种常用函数，可以通过上述两种函数的自变量参数来加以区分。

本实施方式的公式推导具体过程为：

第k次采样所得到的左右两个摄像头图像数据分别为L_k、R_k。若摄像头的CCD分辨率为a×b，CCD尺寸为c×g，c为横轴长度，g为纵轴长度。则L_k、R_k为a行b列的矩阵。L_k、R_k上第i行第j列的数据表示为L_k(i,j)、R_k(i,j)，(i,j)称为对应像素点的索引，i为纵向索引，j为横向索引。左右两个摄像头图像的同一纵向索引i上的光束图像对应的同一探测距离上的光束点，该点与摄像头镜头中心的纵向距离(即该点与镜头中心在光束直线上的投影位置的距离，可看作探测距离)为l_i。

上式中，a为随着探测距离变化的常数，a的取值如表1所示。a没有单位，像素索引i也没有单位，因此二者可以做加减运算，摄像头的焦距f与CCD图像传感器的纵轴长度g的单位均为长度单位，因此做除运算时需要统一成相同的量纲进行运算。

θ为纵向剖面上摄像机轴向与激光光束的夹角，h为为纵向剖面上摄像机镜头中心与激光光束所在直线的间距，如图2所示。

表1

左右两个摄像头第k次采样图像不同纵向索引i上的光束质心为CL_ki、CR_ki，两质心的质心距离指标为dC_ki。

dC_ki＝CR_ki+b-CL_ki

经过足够次数(N次)的采样后，对每次采样得到的dC_ki进行统计分析，得到不同纵向索引i所对应的质心距离指标的均方差

定义比例函数B

该函数中

其中，f为摄像头焦距，d为两个摄像头镜头中心的间距，D为镜头直径，B(x,y)为贝塞尔函数，Γ(x,y)为伽马函数。

根据和比例函数B可计算得到不同纵向索引i对应的湍流强度S_i：

得到S_i随i的分布图，如图6所示。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：

具体由以下公式得出：

其中，N为预定的采样次数，L_k(i,j)、R_k(i,j)分别为左摄像头、右摄像头第k次采样得到图像的图像数据，(i,j)为图像上像素点的索引，i为纵向索引，j为横向索引，b为摄像头的垂直分辨率，CL_ki和CR_ki分别为左摄像头和右摄像头第k次采样所得图像在纵向索引i上的光束质心，dC_ki为两质心的质心距离指标。

其推导过程在具体实施方式三中给出了。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：索引为i的像素点与摄像头镜头中心的纵向距离l_i，用于根据湍流强度S_i得到不同探测距离上的湍流强度分布，l_i具体为：

其中，θ为纵向剖面上摄像机轴向与激光光束的夹角，h为为纵向剖面上摄像机镜头中心与激光光束所在直线的间距，g为摄像头中图像传感器的纵轴长度。

本实施方式公开了纵向距离l_i与湍流强度S_i的关系，这样设置的好处是，可以使用图表来表示湍流强度S_i随着位置不同的变化情况，由于像素点与摄像头镜头中心的纵向距离是比较直观的量，因此最终将公式转换为纵向距离l_i与湍流强度S_i的关系，可以很直观地通过图表看出湍流强度的变化。

湍流强度S_i随纵向距离l_i的分布图如图7所示。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：

装置还包括与所述摄像头均连接的外部计算机，计算机用于执行如下步骤：

步骤1：将采样序号k初始化为1；

步骤2：控制左摄像头、右摄像头进行第k次采样，得到第k次采样数据L_k(i,j)、R_k(i,j)；

步骤3：计算采样数据中不同的纵向索引i上的光束质心CL_ki、CR_ki；

步骤4：计算纵向索引i上的光束质心距离指标dC_ki＝CR_ki+b-CL_ki；

步骤5：判断采样次数是否达到预设的值：若否，则采样次数k加1，并返回步骤2；若是，则执行步骤6；

步骤6：对每次采样结果得到的质心距离指标dC_ki进行统计分析得到不同纵向索引i所对应的dC_ki的均方差；

步骤7：根据不同纵向索引i所对应的dC_ki的均方差计算不同位置处的湍流强度。

上述步骤的流程图如图5所示。

本实施方式公开了通过计算机程序执行具体实施方式三至五中任意一项的具体执行步骤，由于具体实施方式三至五仅给出了推导过程，未说明计算机程序应当以何种步骤顺序获取参数并执行运算，因此本实施方式的技术效果在于，给出了一种执行上述过程的具体步骤顺序。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于双摄像头的水下湍流强度探测装置，包括由透光防水窗口与防水封装组成的防水壳体，所述透光防水窗口设置在所述防水壳体的一侧，所述壳体内部设置有连续性激光器、左摄像头以及右摄像头，所述透光防水窗口用于使所述连续性激光器发射的光束射入水中，所述光束射入水中后发生散射，所述左摄像头以及右摄像头用于拍摄散射后的光束；

其特征在于，所述左摄像头和右摄像头的相对位置关系为：使得左摄像头和右摄像头拍摄到的光束图像相互对称，并且图像中的光束不平行于图像的横轴；以及图像中的光束的上端达到图像的顶端。

2.根据权利要求1所述的装置，所述摄像头的图像传感器分辨率为a×b，所述摄像头的图像传感器尺寸为c×g，所述左摄像头经过k次拍摄采样得到的图像数据为L_k，所述右摄像头经过k次拍摄采样得到的图像数据为R_k；L_k、R_k上第i行第j列的数据分别为L_k(i,j)、R_k(i,j)，(i,j)称为对应像素点的索引，i为纵向索引，j为横向索引；其特征在于，湍流强度S_i与探测距离l_i的关系由如下公式求出：

其中，i为所述图像上像素点的纵向索引，S_i为纵向索引为i的像素对应的湍流强度，l_i和l_i-1分别表示纵向索引为i和i-1的像素点与摄像头镜头中心的纵向距离，和分别为纵向索引i和i+1对应的质心距离指标的均方差，f为摄像头焦距，a为随着探测距离变化的常数，d为两个摄像头镜头中心的间距，D为镜头直径，B为比例函数，B(x,y)为贝塞尔函数，Γ为伽马函数。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述具体由以下公式得出：

其中，N为预定的采样次数，L_k(i,j)、R_k(i,j)分别为左摄像头、右摄像头第k次采样得到图像的图像数据，(i,j)为所述图像上像素点的索引，i为纵向索引，j为横向索引，b为摄像头的垂直分辨率，CL_ki和CR_ki分别为左摄像头和右摄像头第k次采样所得图像在纵向索引i上的光束质心，dC_ki为两质心的质心距离指标。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述纵向索引为i的像素点与摄像头镜头中心的纵向距离l_i，用于根据湍流强度S_i得到不同探测距离上的湍流强度分布，l_i具体为：

其中，θ为纵向剖面上摄像机轴向与激光光束的夹角，h为纵向剖面上摄像机镜头中心与激光光束所在直线的间距，g为摄像头中图像传感器的纵轴长度。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括与所述摄像头均连接的外部计算机，所述计算机用于执行如下步骤：

步骤1：将采样序号k初始化为1；

步骤2：控制左摄像头、右摄像头进行第k次采样，得到第k次采样数据L_k(i,j)、R_k(i,j)；

步骤3：计算所述采样数据中不同的纵向索引i上的光束质心CL_ki、CR_ki；

步骤4：计算纵向索引i上的光束质心距离指标dC_ki＝CR_ki+b-CL_ki；

步骤5：判断采样次数是否达到预设的值：若否，则采样次数k加1，并返回步骤2；若是，则执行步骤6；

步骤6：对每次采样结果得到的质心距离指标dC_ki进行统计分析得到不同纵向索引i所对应的dC_ki的均方差；

步骤7：根据不同纵向索引i所对应的dC_ki的均方差计算不同位置处的湍流强度。