CN109782294A - 一种智能化光学观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能化光学观测系统，包括激光测距模块、转动云台、深海相机、照明模块和主控单元，所述主控单元包括转动云台控制模块、自动对焦模块及LED阵列调节模块；所述激光测距模块用于测量成像目标距离并将位置信息反馈给主控单元；所述的转动云台根据激光测距模块反馈的位置信息，由主控单元控制云台运行；所述的LED阵列调节模块根据激光测距模块反馈的位置信息在主控单元控制下实现照明模块光照度调节；所述的自动对焦模块根据成像物体位置信息实现快速的自动对焦功能。本发明能够实现主动寻求目标、精准对焦及照明强度可调节，具有结构紧凑、节约深海能源、智能化、适合长期进行深海观测的优点。

Description

一种智能化光学观测系统

技术领域

本发明涉及一种光学观测系统，尤其涉及一种智能化光学观测系统。

背景技术

深海光学观测可以弥补声学等物理探测手段空间分辨力的不足，是全海深科考以及资源勘探的重要手段。深海环境不同于陆地环境，海水介质对自然光线具有较强的吸收能力，水深200m以下可见光照度不足水面照度0.01％，所以深海环境观测需要主动照明装置配合成像。现阶段深海光学观测系统中的深海相机及照明设备彼此独立，深海照明为了使相机获得大的探测范围，通常采用强光光源或多灯阵列对深海物质进行观测，这种方式不仅造成系统功耗大，又忽略了水体介质光散射效应对成像质量的影响；越强的光照同时也伴随着较强的水体散射，造成图像背景噪声大、图像称比度低的效果。深海的高压特性迫使人类无法实时的进行人为干预，现阶段深海观测系统从入水到打捞的拍摄过程随机性较大，缺乏自主性、机动性，采用被动式对焦方式的深海相机通常处于“迷茫”状态进行离焦拍摄，无法真实高效的记录深海场景。

发明内容

本发明具体涉及一种智能化深海光学观测系统，能主动寻求拍摄目标，并根据成像距离实时自动调节照明光强值及相机的快速自动对焦的装置。本发明采用模块化结构，集成化的传感器可方便安装在转动系统上，具有结构紧凑、节约深海能源、智能化、适合长期进行深海观测的优点。

基于深海环境的高压、强吸收、强散射等因素对人类行为的限制及成像系统的影响，本发明提出了一种主动寻求目标、精准对焦及照明强度可调节的智能化光学观测系统。

具体地，该智能化光学观测系统，包括激光测距模块、转动云台、深海相机、照明模块、主控单元；所述的主控单元包括转动云台控制模块、自动对焦模块及LED阵列调节模块；所述的激光测距模块用于测量成像目标距离并将位置信息反馈给主控单元；所述的转动云台根据激光测距模块反馈的位置信息，由主控单元控制云台运行；所述的LED阵列调整模块根据激光测距模块反馈的位置信息在主控单元控制下实现照明模块光照度调节；所述的自动对焦模块根据成像物体位置信息实现快速的自动对焦功能。

进一步地，主控单元封装于转动云台内部，激光测距模块、照明模块、深海相机均搭载于转动云台之上，三者处于同一平面且位置固定；照明模块位于深海相机两侧对称放置；激光测距模块位于深海相机垂直上方，两者光轴平行。

进一步地，所述的激光测距模块选用准直性强，且为海水光学透射窗口的蓝绿激光。

进一步地，所述的转动云台选用T型水下云台结构，旋转轴工作范围可实现360°覆盖。

进一步地，所述的深海相机包括镜头、对焦马达及相机芯片；其中对焦马达在主控单元控制下移动相机芯片来实现对焦；相机芯片选用微光探测器，负责将入射到镜头内的光信号转换为电信号，并输出给图像采集模块。

进一步地，所述的照明模块选用高显色性的LED阵列。

进一步地，所述的转动云台控制模块包括转动云台控制单元及转动云台电机驱动电路，使观测系统在无位置信息输入时处于缓慢匀速转动，有位置信息输入时处于停止状态；其中转动云台控制单元将激光测距模块输出的位置信息转换成转动云台电机驱动信号；转动云台电机驱动电路根据驱动信号来驱使云台运动。

进一步地，所述的自动对焦模块包括图像采集单元、对焦算法单元、对焦控制单元及马达驱动电路；其中对焦算法单元根据激光测距模块输出的位置信息执行对焦算法，输出相机的最佳聚焦值；对焦控制单元将对焦算法单元产生的控制信号转换成马达驱动电路的驱动信号；马达驱动电路根据对焦算法控制单元的驱动信号驱使对焦马达运动，实现快速精准对焦。

进一步地，所述的LED阵列调节模块包括水下成像计算模型单元、LED 阵列控制单元及LED阵列驱动电路，使照明模块根据成像物体位置信息实现光照近弱远强的可调节功能；其中水下成像模型计算单元根据激光测距模块输出的位置信息及选定相机参数计算输出最佳光源工作参数；LED阵列控制单元将水下成像计算模型单元产生的控制信号转换成驱动信号；LED阵列驱动电路根据LED阵列控制单元的驱动信号实现LED阵列光源可调节功能。

本发明要解决的第一个技术问题是有别于传统深海光学观测的被动式对焦方式，本发明通过转动云台扩大相机的观测视野，并利用激光测距模块主动寻找成像目标，同时主控单元将目标距离信息反馈到自动对焦模块，使相机实现快速的精准对焦。

本发明要解决的第二个技术问题是有别于现阶段深海光学观测系统的照明光源不可调节、照明功耗大，本发明根据主控系统通过对反馈的观测距离信息，对观测物体、照明光源及相机不同位置进行水下成像模型分析，获得成像系统信噪比最佳的光源位置及光源强度，实现照明模块的远目标距离高能量密度投送，近目标距离低能量密度照度投送功能。

本发明的有益效果是：本发明提出的深海光学观测系统通过激光测距模块将深海照明、深海相机及深海观测目标关联为一个统一整体，在主控单元控制下系统内部各模块彼此联系配合，实现深海光学观测的高精准、科学化及全程无人化。与传统深海相机的被动式对焦方式相比，本发明的深海相机通过激光测距模块主动寻求目标，内部主控单元根据输出物距信息控制镜头移动，实现深海相机的快速精准对焦，避免相机处于盲目拍摄状态。与传统的深海照明光强不可调节相比，本发明的深海照明模块根据观测目标距离，利用主控单元计算单元输出光源最佳工作参数并驱动LED阵列调节光源强度，既极大的降低了深海照明的功耗，节约了深海能源的使用；又有效的减少了水体的散射效应，提高深海光学观测系统的成像质量。

附图说明

图1为本发明的智能化深海光学观测系统控制原理结构示意图；

图2为本发明的智能化深海光学观测系统结构示意图；

图3为本发明的深海光学观测系统对焦方式示意图；

图4为本发明对焦算法流程图；

图5为本发明的照明模块示意图；

图6为本发明LED阵列调节功能流程图；

图7(1)-(3)为本发明LED阵列自动调节示意图；

图8为水下成像系统计算模型示意图；

图9为观测物体距离与光源位置关系曲线图。

图中：1、激光测距模块，1-1、蓝绿激光器，1-2、激光回波探测器，2、转动云台，3、深海相机，3-1、镜头，3-2、相机芯片，4、照明模块，5、主控单元，5-1，转动云台运动模块，5-1a、转动云台控制单元，5-1b、云台电机驱动电路，5-2、自动对焦模块，5-2a、图像采集模块，5-2b、对焦算法单元， 5-3c、对焦控制单元，5-2d、马达驱动电路，5-3、LED阵列调节模块，5-3a、水下成像计算模块单元，5-3b、LED阵列控制单元，5-3c、LED阵列驱动电路， 6、被测物体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

图1为本发明的智能化深海光学观测系统结构示意图，包括用于位置信息输出的激光测距模块1、可360°旋转的转动云台2、可自动对焦的深海相机3、可调节亮度的照明模块4及封装在观测系统内部的主控单元5。

激光测距模块1包括发射系统的蓝绿激光器1-1和接受系统的激光回波探测器1-2，其主要根据蓝绿激光束在发射、接收器与被测目标间渡越时间的计算感知作用距离d。设激光器发射一个脉冲时刻为t1，接收器接受目标反射光时刻为 t2，则被测物体的位置信息由公式1可知

式中，c为真空中光的传播速度；n为该片水域的折射率。

图2是本发明智能化深海光学观测系统控制原理示意图。针对本发明所要解决的技术问题，采取实施方案的主要思想：当激光测距模块1无信号输出时，深海光学观测系统的转动云台2缓慢匀速转动寻找观测目标6，照明模块4处于关闭状态；当激光测距模块1有位置信号输出时，主控单元5将位置信息并行输出给转动云台运动模块5-1、深海相机3的自动对焦模块5-2及LED阵列调节模块5-3，并根据输入信号实现转动云台2的转停，深海相机3的快速对焦功能及照明模块4 的照明调节功能。

深海相机3包括镜头3-1，相机芯片3-2，对焦马达3-3。镜头3-1负责接受被测物体反射光；相机芯片3-2将接受的光信号转换成图像信息，同时输出给主控单元5；对焦马达3-3在自动对焦模块5-2控制驱动下调节相机芯片3-2位置，实现深海相机对焦。具体原理是根据成像公式2，在位置信息d已知，镜头3-1焦距f固定情况下，调焦像距v位置，即可清晰成像，如图3所示。

式中，像距μ＝d+m，d为被测物体到激光测距模块1的距离，m为激光测距模块1到镜头3-1的距离，为固定值。

自动对焦模块5-2包括图像采集模块5-2a，对焦算法单元5-2b，对焦控制单元5-3c，马达驱动电路5-2d。自动对焦的工作过程：对焦算法单元5-2b根据图像采集模块5-2a的图像信息和激光测距模块1的位置信息执行对焦算法，计算输出相机芯片3-2最佳位置值，然后对焦控制单元5-3c将控制信号转换成驱动信号，再由马达驱动单路5-2d驱动对焦马达3-3移动相机芯片3-2到最佳位置。

对焦算法考虑了激光测距模块1测量误差Δd，则相机芯片3-2的移动位置偏差Δν由公式3可知。

则对焦算法单元5-2b分为粗定位与细聚焦两过程，具体流程如图4所示。根据激光测距模块1输出的位置信息d，粗定位位置v由公式2可知。细聚焦过程：在v±Δν的区域范围内选取小步长移动相机芯片3-2位置，并根据图像采集模块5-2a输出的图像信息执行聚焦评价函数，选择最优评价函数值对应的相机芯片位置为最佳位置值，并将控制信号发送给对焦马达3-3，移动相机芯片3-2到计算的最佳位置处。

深海照明模块4采用两组高显色性的LED阵列分布于深海相机3两侧。为了有效的减少水体散射对图像质量的影响，采用光强值非均匀的LED阵列配置设计，即靠近相机端为发散角大、光强值小的LED灯，远离相机端方向逐渐采用发散角小，光强值大的LED灯，如图5所示。

LED阵列调节模块5-3包括水下成像计算模型单元5-3a，LED阵列控制单元5-3b，LED阵列驱动电路5-3c。LED阵列光强调节过程如图6所示：水下成像计算模型单元5-3a根据激光测距模块1的位置信息和深海相机3参数信息计算输出最佳LED阵列工作参数；LED阵列控制单元5-3b将控制信号转换为驱动信号，在由LED阵列驱动电路5-3c调节照明模块4，实现远目标距离高能量密度投送，近目标距离低能量密度照度投送功能，在无观测目标时照明系统处于关闭状态，如图7(1)-(3)所示。

水下成像计算模型单元5-3a是基于B.L.McGlamery(A Computer Model ForUnderwater Camera Systems)提出的水下相机系统计算模型，利用深海水体的光学传递函数计算出入射光的前向散射光辐照度及水体的后向散射光辐照度，同时可计算得到图像信噪比SNR，如公式4～12。图8为普适水下相机系统排布示意图，深海相机像面辐照度H为物体非散射光辐照度Hd、前向散射光辐照度Hg、水体后向散射光辐照度Hbt构成。

H＝H_d+H_g+H_bt 公式5

Hg＝∫∫H_d(x',y')S(x-x',y-y')dxdy＝H_d(x,y)*S(x,y,z') 公式7

r＝[x^'2+y^'2+(Zc-z^'2)]^1/2 公式11

式中，G为与光源相关联的衰减系数；α为水体体积衰减系数；B为与散射系数相关的经验系数；fx、fy为像面空间频率；Hs(x’,y’,o)光源照射到物体辐照度；θ(x’,y’,o)相机与物体间夹角；γ(x’,y’,o)光源与物体间夹角；Tl镜头透过率；Fl为镜头焦距；Zc为镜头与物体间垂直距离；f#为相机F数；β为光源入射光与相机间夹角；σ(β)水体散射函数；z’为后向散射水体垂直距离。

式中，h为普朗克常量，c为光速，λ为入射光波长，μ为相机芯片的量子效率，T为深海相机的积分时间，

为了具体说明水下成像模型的应用，本专利计算给定水体参数及深海相机等系统参数下不同被测目标距离Zc对应的图像信噪比最佳情况的光源位置信息。具体参数如下：光源功率1W；水体相关衰减系数G＝0.195，散射系数相关的经验系数B＝0.1；深海相机f#＝2.8；相机焦距Fl＝12.5mm；镜头透过率Tl＝0.8，相机相机芯片量子效率μ＝0.15；相机的积分时间T＝0.033s。根据上述原理公式，计算不同被测目标距离Zc在成像系统信噪比最佳情况下光源位置的曲线图，结果如图9所示。

以上所述实施例，仅为本发明具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改、替换和改进等等，这些修改、替换和改进都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种智能化光学观测系统，包括主控单元、激光测距模块、转动云台、深海相机和照明模块；其特征在于：

所述主控单元包括转动云台控制模块、自动对焦模块及LED阵列调节模块；

所述激光测距模块用于测量成像目标距离并将位置信息反馈给主控单元；

所述转动云台根据激光测距模块反馈的位置信息，由主控单元控制云台运行；

所述LED阵列调节模块根据激光测距模块反馈的位置信息在主控单元控制下实现照明模块光照度调节；

所述自动对焦模块根据成像物体位置信息实现快速的自动对焦功能。

2.如权利要求1所述的智能化光学观测系统，其特征在于：主控单元封装于转动云台内部，激光测距模块、照明模块和深海相机均搭载于转动云台之上，三者处于同一平面且位置固定；照明模块位于深海相机两侧对称放置；激光测距模块位于深海相机垂直上方，两者光轴平行。

3.如权利要求1所述的智能化光学观测系统，其特征在于：所述激光测距模块选用准直性强，且为海水光学透射窗口的蓝绿激光。

4.如权利要求1所述的智能化光学观测系统，其特征在于：所述转动云台选用T型水下云台结构，旋转轴工作范围可实现360°覆盖。

5.如权利要求1所述的智能化光学观测系统，其特征在于：所述深海相机包括镜头、对焦马达及相机芯片；其中对焦马达在主控单元控制下移动相机芯片来实现对焦；相机芯片选用微光探测器，负责将入射到镜头内的光信号转换为电信号，并输出给图像采集模块。

6.如权利要求1所述的智能化光学观测系统，其特征在于：所述照明模块选用高显色性的LED阵列。

7.如权利要求1-6任一所述的智能化光学观测系统，其特征在于：所述的转动云台控制模块包括转动云台控制单元及转动云台电机驱动电路，使观测系统在无位置信息输入时处于缓慢匀速转动，有位置信息输入时处于停止状态；其中转动云台控制单元将激光测距模块输出的位置信息转换成转动云台电机驱动信号；转动云台电机驱动电路根据驱动信号来驱使云台运动。

8.如权利要求1-6任一所述的智能化光学观测系统，其特征在于：所述的自动对焦模块包括图像采集单元、对焦算法单元、对焦控制单元及马达驱动电路；其中对焦算法单元根据激光测距模块输出的位置信息执行对焦算法，输出相机的最佳聚焦值；对焦控制单元将对焦算法单元产生的控制信号转换成马达驱动电路的驱动信号；马达驱动电路根据对焦算法控制单元的驱动信号驱使对焦马达运动，实现快速精准对焦。

9.如权利要求1-6任一所述的智能化光学观测系统，其特征在于：所述的LED阵列调节模块包括水下成像计算模型单元、LED阵列控制单元及LED阵列驱动电路，使照明模块根据成像物体位置信息实现光照近弱远强的可调节功能；其中水下成像计算模型单元根据激光测距模块输出的位置信息及选定相机参数计算输出最佳光源工作参数；LED阵列控制单元将水下成像计算模型单元产生的控制信号转换成驱动信号；LED阵列驱动电路根据LED阵列控制单元的驱动信号实现LED阵列光源可调节功能。