CN107764183A - 用于水下目标物尺寸测量的原位激光‑图像融合测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水下目标物尺寸测量的原位激光‑图像融合测量系统及其测量方法，用于测量目标物体的尺寸信息，包括第一、第二、第三水下激光测距仪、水下云台、水下广角相机、第一姿态传感器、第二姿态传感器、控制单元等；该系统中水下云台通过控制单元使第三水下激光测距仪的激光光斑处于目标物体的适宜位置处，水下激光测距仪获取激光测距仪到目标物体的距离信息、水下广角相机拍摄含有目标物体和三个激光光斑的图像、姿态传感器测量水下广角相机和第三激光测距仪的三维姿态角信息，通过基于距离‑图像‑姿态的目标物尺寸测量方法实现水下目标物体尺寸的高精度测量。该系统可用于近距离测量水下不同目标物的尺寸，有测距精度高的优点。

Description

用于水下目标物尺寸测量的原位激光-图像融合测量系统及 其测量方法

技术领域

本发明涉及一种激光-图像融合测量系统，特别是一种用于水下目标物尺寸测量的原位激光-图像融合测量系统及其测量方法。

背景技术

水下目标物的尺寸信息通常可以使用船载多波速和近底AUV声学调查等手段来测量，这两种测量手段主要针对规模尺寸较大的目标物，难以对直径一般仅为米-亚米级的目标物进行有效识别。

发明内容

本发明克服了普通小规模水下目标物尺寸测量误差大的缺点，提供了一种用于水下目标物尺寸测量的原位激光-图像融合测量系统及其测量方法，该系统采用光学探测手段(如水下光学)可以直观、详细地提供水下目标物的形态特征，原位激光-图像融合测量系统可搭载于载人深潜器和ROV上，用于水下近距离目标物几何尺寸的原位、快速、精确、低成本测量。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于水下目标物尺寸测量的原位激光-图像融合测量系统，用于测量目标物体的尺寸信息，其特征在于，包括第一水下激光测距仪、第二水下激光测距仪、第三水下激光测距仪、水下云台、水下广角相机、第一姿态传感器、第二姿态传感器、控制单元、支架、水下密封舱；其中，所述第一水下激光测距仪、第二水下激光测距仪、水下云台、水下广角相机、水下密封舱均可拆卸地安装在支架上；所述第一水下激光测距仪与第二水下激光测距仪的中轴线平行；所述第三水下激光测距仪可拆卸地安装在水下云台上，第三水下激光测距仪与水下云台的中轴线平行；所述第一姿态传感器可拆卸地安装于第三水下激光测距仪内部，第二姿态传感器可拆卸地安装于水下广角相机内部；第三水下激光测距仪布置在第一水下激光测距仪与第二水下激光测距仪之间；所述控制单元设置在水下密封舱内；所述第一水下激光测距仪、第二水下激光测距仪、第三水下激光测距仪、水下云台、水下广角相机、第一姿态传感器和第二姿态传感器均与控制单元相连。

进一步的，所述控制单元与输出接口相连，所述输出接口安装在水下密封舱上。

进一步的，所述控制单元包括电源模块、控制模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和显示模块；所述电源模块为原位激光-图像融合测量系统供电；所述第一水下激光测距仪、第二水下激光测距仪、第三水下激光测距仪、水下云台、水下广角相机、第一姿态传感器、第二姿态传感器、数据采集模块、数据处理模块和显示模块输入端均与控制模块的输出端相连；所述第一水下激光测距仪、第二水下激光测距仪、第三水下激光测距仪、水下广角相机、第一姿态传感器和第二姿态传感器的输出端均与数据采集模块的输入端相连，数据采集模块的输出端与数据处理模块的输入端相连，数据处理模块的输出端分别与显示模块和数据存储模块的输入端相连。

本发明的另一目的是提供一种上述的用于水下目标物尺寸测量的原位激光-图像融合测量系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤(1)、控制模块控制第一水下激光测距仪、第二水下激光测距仪、第三水下激光测距仪打开激光，控制模块控制水下云台调整第三水下激光测距仪与第一水下激光测距仪和第二水下激光测距仪之间的垂直角度使得第三水下激光测距仪的激光光斑位于目标物体上的合适位置，且三个激光光斑同时位于目标物体上，第一水下激光测距仪、第二水下激光测距仪、第三水下激光测距仪分别测量出其自身与目标物体间的距离L₁、L₂、L₃，距离L的通用计算公式如下：

其中，f_s1和f_s2为两次发射激光的频率；为当发射激光频率为f_s1时，发射激光相位与反射激光相位的相位差；为当发射激光频率为f_s2时，发射激光相位与反射激光相位的相位差；c为真空中光速，n为纯水中光的折射率，a与b为测距矫正系数；

步骤(2)、水下广角相机拍摄含有目标物体和三个激光光斑的图像，再将图像信息传输到数据处理模块，通过图像衰减补偿校正算法消除图像的畸变，根据目标物体的形貌、颜色特征从图像中自动识别出l₁、l₂、l₃、l₄，其中l₁为图像中第一水下激光测距仪出射光斑与第二水下激光测距仪出射光斑的水平像素距离，l₂为图像中第三水下激光测距仪出射光斑与第一水下激光测距仪出射光斑和第二水下激光测距仪出射光斑之间连线的垂直像素距离，l₃为图像中目标物体的宽度像素差距离，l₄为图像中目标物体的高度像素差距离；

步骤(3)、第一姿态传感器和第二姿态传感器分别测量第三水下激光测距仪和水下广角相机的三维姿态角信息β₁，δ₁和β₂，δ₂，其中β₁，δ₁分别为第三水下激光测距仪的俯仰角、横滚角和航向角，β₂，δ₂分别为水下广角相机的俯仰角、横滚角和航向角，测试中水下云台只改变第三水下激光测距仪的俯仰角横滚角和航向角β₁，δ₁均为0°；

步骤(4)、已知第一水下激光测距仪与第二水下激光测距仪间的水平距离L_x、第三水下激光测距仪与第一水下激光测距仪和第二水下激光测距仪之间的垂直高度L_y；根据步骤、步骤和步骤分别获得测量系统与多个已知目标物体间不同角度、不同距离下的数据组合使用MATLAB的数值拟合和优化函数分别得到已知目标物体宽度width、高度height与间的函数关系式，即：

步骤(5)、根据步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)测得待测目标物体的数据已知L_x与L_y，带入步骤(4)中得到的目标物体宽度width、高度height的函数关系式，分别求得待测目标物体的实际宽度和高度尺寸信息。

本发明的有益效果是：由于采用水下多点距离测量、水下光学成像和目标物尺寸(主要是高度和宽度)与距离、图像、姿态间的定量关系的机制，并结合基于图像衰减校准算法、图像的目标自动识别、“距离-图像-姿态”融合求解算法、自适应角度控制算法等关键技术，该系统能实现水下目标物尺寸近距离精确测量。该系统采用光学探测手段(如水下光学)可以直观、详细地提供水下目标物的形态特征，原位激光-图像融合测量系统可搭载于载人深潜器和ROV上，用于水下近距离目标物几何尺寸的原位、快速、精确、低成本测量。

附图说明

图1是水下激光-图像融合测量系统的示意图；

图2是本发明控制单元的结构框图；

图中，第一水下激光测距仪1、第二水下激光测距仪2、第三水下激光测距仪3、水下云台4、水下广角相机5、第一姿态传感器6、第二姿态传感器7、控制单元8、支架9、目标物体10、水下密封舱11、输出接口12。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明可用于近距离测量水下目标物的尺寸信息，如海底热液硫化物烟囱体几何尺寸的原位、快速、精确、低成本测量，同时可用于硫化物资源量大规模的准确估算。

如图1所示，本发明的用于水下目标物尺寸测量的原位激光-图像融合测量系统，包括第一水下激光测距仪1、第二水下激光测距仪2、第三水下激光测距仪3、水下云台4、水下广角相机5、第一姿态传感器6、第二姿态传感器7、控制单元8、支架9、水下密封舱11；其中，所述第一水下激光测距仪1、第二水下激光测距仪2、水下云台4、水下广角相机5、水下密封舱11均可拆卸地安装在支架9上；所述第一水下激光测距仪1与第二水下激光测距仪2的中轴线平行；所述第三水下激光测距仪3可拆卸地安装在水下云台4上，第三水下激光测距仪3与水下云台4的中轴线平行；第三水下激光测距仪3布置在第一水下激光测距仪1与第二水下激光测距仪2之间；所述控制单元8设置在水下密封舱11内；所述第一水下激光测距仪1、第二水下激光测距仪2和第三水下激光测距仪3分别用于测量第一水下激光测距仪1、第二水下激光测距仪2和第三水下激光测距仪3到目标物体10之间的距离；所述第一水下激光测距仪1、第二水下激光测距仪2和第三水下激光测距仪3可以采用北京林阳智能技术研究中心的LY-0060型号的激光测距传感器，但不限于此。

所述第一姿态传感器6可拆卸地安装于第三水下激光测距仪3内部，第二姿态传感器7可拆卸地安装于水下广角相机5内部；所述第一姿态传感器6和第二姿态传感器7分别用于测量第三水下激光测距仪3和水下广角相机5的三维姿态角；所述第一姿态传感器6和第二姿态传感器7可以采用上海朗尚科贸有限公司3CP-1000-D1型号的高精度三轴电子罗盘，但不限于此；所述水下广角相机5用于拍摄目标物体10和三个激光光斑的图像，可以采用尼康公司COOLPIX W300s型号的水下相机，但不限于此；所述水下云台4可以采用北京中瑞陆海科技有限公司SS260型号的水下云台，但不限于此。

所述第一水下激光测距仪1、第二水下激光测距仪2、第三水下激光测距仪3、水下云台4、水下广角相机5、第一姿态传感器6和第二姿态传感器7均与控制单元8相连；所述控制单元8设置在水下密封舱11内；所述控制单元8与输出接口12相连；所述输出接口12安装在水下密封舱11上；所述输出接口用于控制单元8中测量结果的输出。

如图2所示，所述控制单元包括电源模块、控制模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和显示模块；所述电源模块为原位激光-图像融合测量系统供电；所述第一水下激光测距仪1、第二水下激光测距仪2、第三水下激光测距仪3、水下云台4、水下广角相机5、第一姿态传感器6、第二姿态传感器7、数据采集模块、数据处理模块和显示模块的输入端均与控制模块的输出端相连；所述第一水下激光测距仪1、第二水下激光测距仪2、第三水下激光测距仪3、水下广角相机5、第一姿态传感器6和第二姿态传感器7的输出端均与数据采集模块的输入端相连，数据采集模块的输出端与数据处理模块的输入端相连，数据处理模块的输出端分别与显示模块和数据存储模块的输入端相连。所述显示模块用于显示目标物体10的尺寸信息值，数据存储模块主要用于存储目标物体10的高度、宽度尺寸结果。本实施例中电源模块可以采用西安华迈锂电池有限公司HM7L-J11Z25L型号的锂电池，但不限于此；控制模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块可以采用北京恒颐创科技有限公司PCMH9263型号的ATMEL AT91SAM9263开发板，但不限于此；显示模块可以采用深圳市晶联讯电子有限公司JLX12864C-1型号的液晶显示屏，但不限于此。

本发明的用于水下目标物尺寸测量的原位激光-图像融合测量系统的测量方法，包括以下步骤：

(1)控制模块控制第一水下激光测距仪1、第二水下激光测距仪2、第三水下激光测距仪3中的第一激光发射模块11、第二激光发射模块21、第三激光发射模块31反射激光，三个激光光斑对准目标物体10，控制模块控制水下云台4调整第三水下激光测距仪3与第一水下激光测距仪1和第二水下激光测距仪2的角度使得第三水下激光测距仪3的激光光斑位于目标物体10的合适位置，第一水下激光测距仪1、第二水下激光测距仪2、第三水下激光测距仪3分别测量出其自身与目标物体10间的距离L₁、L₂、L₃，距离L的通用计算公式如下：

其中，f_s1和f_s2为两次发射激光的频率；为当发射激光频率为f_s1时，发射激光相位与反射激光相位的相位差；为当发射激光频率为f_s2时，发射激光相位与反射激光相位的相位差；c为真空中光速，n为纯水中光的折射率，a与b为测距矫正系数；

步骤(2)、水下广角相机5拍摄含有目标物体10和三个激光光斑的图像，再将图像信息传输到数据处理模块，通过基于水体衰减系数标定的图像衰减补偿校正算法消除图像的畸变(本实施例采用基于暗通道先验去雾算法、图像锐化算法和中值滤波算法对图像进行预处理，暗通道先验去雾算法中先求出每个像素RGB分量中的最小值，存入一副和原始图像大小相同的灰度图，然后再对这幅灰度图进行最小值滤波，从而达到去雾目的，图像锐化算法通过对图像进行微分或使用高通滤波器等操作补偿图像的轮廓，增强图像的边缘及灰度跳变的部分，使图像变得清晰，中值滤波算法去除水下成像时泥沙等颗粒物噪点和干扰脉冲的影响)，根据目标物体10的形貌、颜色特征从图像中自动识别出l₁、l₂、l₃、l₄，其中l₁为图像中第一水下激光测距仪1出射光斑与第二水下激光测距仪2出射光斑的水平像素距离，l₂为图像中第三水下激光测距仪3出射光斑与第一水下激光测距仪1出射光斑和第二水下激光测距仪2出射光斑之间连线的垂直像素距离，l₃为图像中目标物体10的宽度像素差距离，l₄为图像中目标物体10的高度像素差距离；

步骤(3)、第一姿态传感器6和第二姿态传感器7分别测量第三水下激光测距仪3和水下广角相机5的三维姿态角信息β₁，δ₁和β₂，δ₂，其中β₁，δ₁分别为第三水下激光测距仪3的俯仰角、横滚角和航向角，β₂，δ₂分别为水下广角相机5的俯仰角、横滚角和航向角，测试中水下云台4只改变第三水下激光测距仪3的俯仰角横滚角和航向角β₁，δ₁为0°；

步骤(4)、基于光学成像三角关系，测量系统与目标物体10越近，水下广角相机5拍摄的图像中l₁、l₂、l₃、l₄越大，测量系统与目标物体10越远，水下广角相机5拍摄的图像中l₁、l₂、l₃、l₄越小，图像中拍摄到的三激光光斑位于目标物体10上，图像中目标物体10的宽度、高度像素差距离与目标物体10实际宽度、高度信息间存在的成像比例关系和图像中三激光光斑的宽度、高度像素差距离与三个水下激光测距仪实际宽度和高度信息间存在的成像比例关系一致，此成像比例关系与有关。已知第一水下激光测距仪1与第二水下激光测距仪2间的水平距离L_x、第三水下激光测距仪3与第一水下激光测距仪1和第二水下激光测距仪2之间的垂直高度L_y。根据步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)分别获得测量系统与多个已知目标物体10间不同角度、不同距离下的数据组合使用MATLAB中数值拟合和优化的神经网络拟合工具箱分别得到已知目标物体10宽度width、高度height与间的函数关系式，即：

步骤(5)、根据步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)测得待测目标物体的数据已知L_x与L_y，带入步骤(4)中得到的目标物体10宽度width、高度height的函数关系式，分别求得待测目标物体10的实际宽度和高度尺寸信息。

Claims (4)

1.一种用于水下目标物尺寸测量的原位激光-图像融合测量系统，用于测量目标物体(10)的尺寸信息，其特征在于，包括第一水下激光测距仪(1)、第二水下激光测距仪(2)、第三水下激光测距仪(3)、水下云台(4)、水下广角相机(5)、第一姿态传感器(6)、第二姿态传感器(7)、控制单元(8)、支架(9)、水下密封舱(11)等；其中，所述第一水下激光测距仪(1)、第二水下激光测距仪(2)、水下云台(4)、水下广角相机(5)、水下密封舱(11)均可拆卸地安装在支架(9)上；所述第一水下激光测距仪(1)与第二水下激光测距仪(2)的中轴线平行；所述第三水下激光测距仪(3)可拆卸地安装在水下云台(4)上，第三水下激光测距仪(3)与水下云台(4)的中轴线平行；所述第一姿态传感器(6)可拆卸地安装于第三水下激光测距仪(3)内部，第二姿态传感器(7)可拆卸地安装于水下广角相机(5)内部；第三水下激光测距仪(3)布置在第一水下激光测距仪(1)与第二水下激光测距仪(2)之间；所述控制单元(8)设置在水下密封舱(11)内；所述第一水下激光测距仪(1)、第二水下激光测距仪(2)、第三水下激光测距仪(3)、水下云台(4)、水下广角相机(5)、第一姿态传感器(6)和第二姿态传感器(7)均与控制单元(8)相连。

2.根据权利要求1所述的用于水下目标物尺寸测量的原位激光-图像融合测量系统，其特征在于，所述控制单元(8)与输出接口(12)相连，所述输出接口(12)安装在水下密封舱(11)上。

3.根据权利要求1所述的用于水下目标物尺寸测量的原位激光-图像融合测量系统，其特征在于，所述控制单元包括电源模块、控制模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和显示模块；所述电源模块为原位激光-图像融合测量系统供电；所述第一水下激光测距仪(1)、第二水下激光测距仪(2)、第三水下激光测距仪(3)、水下云台(4)、水下广角相机(5)、第一姿态传感器(6)、第二姿态传感器(7)、数据采集模块、数据处理模块和显示模块输入端均与控制模块的输出端相连；所述第一水下激光测距仪(1)、第二水下激光测距仪(2)、第三水下激光测距仪(3)、水下广角相机(5)、第一姿态传感器(6)和第二姿态传感器(7)的输出端均与数据采集模块的输入端相连，数据采集模块的输出端与数据处理模块的输入端相连，数据处理模块的输出端分别与显示模块和数据存储模块的输入端相连。

4.一种根据权利要求3所述的用于水下目标物尺寸测量的原位激光-图像融合测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)、控制模块控制第一水下激光测距仪(1)、第二水下激光测距仪(2)、第三水下激光测距仪(3)打开激光，控制模块控制水下云台(4)调整第三水下激光测距仪(3)与第一水下激光测距仪(1)和第二水下激光测距仪(2)之间的垂直角度使得第三水下激光测距仪(3)的激光光斑位于目标物体(10)上的合适位置，且三个激光光斑同时位于目标物体(10)上，第一水下激光测距仪(1)、第二水下激光测距仪(2)、第三水下激光测距仪(3)分别测量出其自身与目标物体(10)间的距离L₁、L₂、L₃，距离L的通用计算公式如下：

其中，f_s1和f_s2为两次发射激光的频率；为当发射激光频率为f_s1时，发射激光相位与反射激光相位的相位差；为当发射激光频率为f_s2时，发射激光相位与反射激光相位的相位差；c为真空中光速，n为纯水中光的折射率，a与b为测距矫正系数；

步骤(2)、水下广角相机(5)拍摄含有目标物体(10)和三个激光光斑的图像，再将图像信息传输到数据处理模块，通过图像衰减补偿校正算法消除图像的畸变，根据目标物体(10)的形貌、颜色特征从图像中自动识别出l₁、l₂、l₃、l₄，其中l₁为图像中第一水下激光测距仪(1)出射光斑与第二水下激光测距仪(2)出射光斑的水平像素距离，l₂为图像中第三水下激光测距仪(3)出射光斑与第一水下激光测距仪(1)出射光斑和第二水下激光测距仪(2)出射光斑之间连线的垂直像素距离，l₃为图像中目标物体(10)的宽度像素差距离，l₄为图像中目标物体(10)的高度像素差距离；

步骤(3)、第一姿态传感器(6)和第二姿态传感器(7)分别测量第三水下激光测距仪(3)和水下广角相机(5)的三维姿态角信息β₁，δ₁和β₂，δ₂，其中β₁，δ₁分别为第三水下激光测距仪(3)的俯仰角、横滚角和航向角，β₂，δ₂分别为水下广角相机(5)的俯仰角、横滚角和航向角，测试中水下云台(4)只改变第三水下激光测距仪(3)的俯仰角横滚角和航向角β₁，δ₁均为0°；

步骤(4)、已知第一水下激光测距仪(1)与第二水下激光测距仪(2)间的水平距离L_x、第三水下激光测距仪(3)与第一水下激光测距仪(1)和第二水下激光测距仪(2)之间的垂直高度L_y；根据步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)分别获得测量系统与多个已知目标物体(10)间不同角度、不同距离下的数据组合width,height,L₁,L₂,L₃,l₁,l₂,l₃,l₄,L_x,L_y,β₂,δ₂，使用MATLAB的数值拟合和优化函数分别得到已知目标物体(10)宽度width、高度height与L₁,L₂,L₃,l₁,l₂,l₃,l₄,L_x,L_y,β₂,δ₂间的函数关系式，即：

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步骤(5)、根据步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)测得待测目标物体的数据L₁,L₂,L₃,l₁,l₂,l₃,l₄,β₂,δ₂，已知L_x与L_y，带入步骤(4)中得到的目标物体(10)宽度width、高度height的函数关系式，分别求得待测目标物体的实际宽度和高度尺寸信息。