CN109959452A - 一种拖曳式水下荧光光谱成像仪及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拖曳式水下荧光光谱成像仪及成像方法，包括拖曳体和通过内部支架安装在拖曳体内部的照明模块、荧光光谱成像单元、彩色图像成像单元、高度测量单元、控制单元和电源模块；所述照明模块、荧光光谱成像单元、彩色图像成像单元和高度测量单元均与控制单元相连，电源模块为整个拖曳式水下荧光光谱成像仪提供工作电压；其中所述照明模块用于激发海底生物的荧光；所述光谱成像单元记录发光物体的荧光光谱图像；所述彩色图像成像单元记录发光物体的彩色图像。本发明结构合理、操作简单，能够快速的拍摄到水下物体的偏振图像。
Description
技术领域
本发明设计一种水下光谱成像仪，特别是一种用于水下目标荧光探测的拖曳式荧光光谱成像仪及成像方法。
背景技术
拖曳式水下成像装置因其便利性、易操作性，常常被搭载于科考船、ROV、AUV上，是一种常见的图像获取手段。目前水下成像装置大多使用普通RGB成像仪。但是，由于水体本身对光的选择性吸收(对红光强烈的吸收)、水中悬浮颗粒物的散射等影响，拍摄得到的彩色图像对比度低、颜色保真度差，普通RGB成像仪已经不能满足精细化探测的需求。
相较于普通RGB成像仪，光谱成像仪可将成像波段细分，在获取图像空间形态学信息(图像信息)的同时，也可得到成像目标物的光谱信息，得到“光谱数据立方体”，其光学信息更丰富、对颜色的辨别能力更强。近年来，研究发现，水下物体，如珊瑚、海草等，在短波长蓝色光源照明下，可被激发出红色、绿色等不同颜色的荧光。但是，荧光信号强度相对于照明光源很低，水下光谱仪成像仪成像波段范围小，可滤除短波长的激发光，只在荧光信号波长范围内的进行成像。
然而，当前市面上的水下光谱成像仪仅包括成像装置，并未装配合适的激发光源，系统集成性较低，难以直接用于水下荧光光谱成像。此外，目前常见的的水下光谱成像仪为推扫式成像仪，需在固定轨道上，进行线扫描成像后再进行图像拼接，不适用于无固定轨道的水下拖曳式具有成像。因此，拖曳式水下荧光光谱成像仪具有极大的市场可能性与技术创新性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺点和不足，提供一套拖曳式水下荧光光谱成像仪及成像方法，该装置通过近距离短波激光照射激发海底物体荧光，使用RGB彩色摄像机记录发光物体细节，使用光谱成像仪记录荧光光谱图像。
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：一种拖曳式水下荧光光谱成像仪，包括拖曳体和通过内部支架安装在拖曳体内部的电源模块、荧光光谱成像单元、彩色图像成像单元、照明模块、高度测量单元、控制单元；所述照明模块、荧光光谱成像单元、彩色图像成像单元和高度测量单元均与控制单元相连，其中电源模块为整个拖曳式水下荧光光谱成像仪提供工作电压，在控制单元的控制下照明模块向海底目标物发射特定波长的荧光激发光，荧光光谱成像单元对海底目标物所激发出的荧光成像，彩色图像成像单元对目标物及其周围环境成像，高度测量单元估计拖曳体姿态并估计拖曳体离底距离。
进一步的，所述拖曳体主要由腔体和安装在腔体下方的下端盖组成；所述拖曳体前方有用于连接拖曳缆的环状接口，腔体上方安装有水密接插件；所述水密接插件用于拖曳体内部与外部实现信号传输和电力传输；所述下端盖上嵌有一块透明耐压玻璃，并为高度测量单元预留安装孔洞。
进一步的，所述荧光光谱成像单元包括第一成像镜组、液晶可调滤光器和光谱相机；所述第一成像镜组、液晶可调滤光器和光谱相机均安装在内部支架上，并依次布置在同一光轴上；第一成像镜组与拖曳体下端盖上的耐压玻璃贴近并与控制单元相连；所述液晶可调滤光器与控制单元相连，控制单元通过电压来使液晶可调滤光器透过不同波长的光，使入射到光谱相机的光仅有荧光波段的光。
进一步的，所述第一成像镜组包括光学变焦镜头或长工作距离成像物镜。
进一步的，所述彩色图像成像单元包括第二成像镜组和彩色相机；所述第二成像镜组与彩色相机均安装在内部支架上，并依次布置在同一光轴上；所述第二成像镜组与拖曳体下端盖上的耐压玻璃贴近并与控制单元相连。
进一步的，所述第二成像镜组包括光学变焦镜头或长工作距离成像物镜。
进一步的，所述照明模块包括LED支架和LED组合阵列；所述LED组合阵列通过LED支架固定在拖曳体的下表面；所述LED组合阵列包括多个LED阵列单元，不同的LED阵列单元其发出的光处于不同的波段内，波段分布从300nm到480nm；所述LED阵列单元均与聚光罩结合，使得光束收缩，出射能量聚集在成像区域内；所述照明模块与控制单元相连接，控制单元分别控制任何一个LED阵列单元的开启或关闭以及供电电压，达到照明模块出射的激发光谱波段范围的选择和照明强弱的控制。
进一步的，所述高度测量单元包括超声波高度计；所述超声波高度计安装在下端盖的预留孔中；两个超声波高度计分别安装在拖曳体的前侧和后侧，以获得拖曳体离底高度和拖曳体的俯仰角；超声波高度计与控制单元相连，控制单元通过同时采集两个超声波高度计的读数从而计算出拖曳体离底距离和拖曳体俯仰角。
进一步的，所述控制单元包括工控机和发送端光端机；所述工控机分别与荧光光谱成像单元、彩色图像成像单元、照明模块、高度测量单元相连接，通过发送端光端机发送至上位机。
本发明的另一目的是提供上述拖曳式水下荧光光谱成像仪的成像方法，该方法包括如下步骤：
(1)将拖曳体(1)通过拖曳缆与拖曳船连接，将拖曳式水下荧光光谱成像仪通过水密接插件(2)与上位机相连接并检查上位机与拖曳体之间的通信；
(2)拖曳式水下荧光光谱成像仪接通电源后，控制单元(11)开始接收光谱相机(5)和彩色相机(8)的实时图像并通过发送端光端机发送至上位机，并通过分析图像整体亮度来控制相机增益和成像镜组的光圈大小；
(3)控制单元(11)实时采集两个超声波高度计(4)的数据，通过计算得到拖曳体中心的离底距离和拖曳体俯仰角；
D＝0.5*(D1+D2)
θ＝arctan((D2-D1)/L)
其中D为拖曳体离底距离，θ为拖曳体俯仰角，D1为前侧超声波高度计读数，D2为后侧超声波高度计读数，L为前后超声波高度计距离；
(4)控制单元通过拖曳体中心离地距离和拖曳体俯仰角来控制成像镜组的对焦，以获得清晰的目标物光谱图像和彩色图像；
(5)将拖曳体在目标区域内匀速拖曳，以扫描整个区域的荧光光谱图像，同时上位机接收并记录控制单元所传回的数据。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
本发明采用拖曳体的方式对荧光激发光源和荧光光谱相机做了整合，方便系统布放，可以快速的、大面积的获得水下目标区域的荧光光谱图像；
本发明采用LED阵列提供激发光照明，激发光场聚焦于成像区域内并且激发光场的光谱特征可调，满足不同物质的荧光激发要求，也可避免特定波段的激发光对敏感目标物的影响；
本发明采用荧光光谱相机和彩色相机，可以同时获得荧光光谱图像和彩色图像，在使用过程中两种图像相互配合使探测效果更佳直观，满足实际需求。
附图说明
图1是拖曳式水下荧光光谱成像系统拖曳体的主视图。
图2是拖曳式水下荧光光谱成像系统拖曳体的仰视图。
图中，1.拖曳体，2.水密接插件，3.电源模块，4.超声波高度计，5.CCD相机，6.液晶可调滤光器，7.第一成像镜组，8.彩色相机，9.第二成像镜组，10.照明模块，11.控制单元。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明提供一种拖曳式水下荧光光谱成像仪，包括拖曳体1和通过内部支架安装在拖曳体1内部的电源模块3、荧光光谱成像单元、彩色图像成像单元、照明模块10、高度测量单元、控制单元11；所述照明模块10、荧光光谱成像单元、彩色图像成像单元和高度测量单元均与控制单元11相连，电源模块3为整个拖曳式水下荧光光谱成像仪提供工作电压；在控制单元的控制下照明模块向海底目标物发射特定波长的荧光激发光，荧光光谱成像单元对海底目标物所激发出的荧光成像，彩色图像成像单元对目标物及其周围环境成像，高度测量单元估计拖曳体姿态并估计拖曳体离底距离。
进一步的，所述拖曳体1主要由腔体、安装在腔体下方的下端盖组成，通过橡胶圈实现静密封；所述拖曳体1前方有用于连接拖曳缆的环状接口，拖曳体腔体上方安装有水密接插件2；所述水密接插件2用于拖曳体1内部与外部实现信号传输和电力传输；所述下端盖安装有一块透明耐压玻璃，并为高度测量单元预留安装孔洞。
进一步的，所述荧光光谱成像单元包括第一成像镜组7、液晶可调滤光器6和光谱相机5；所述第一成像镜组7、液晶可调滤光器6和光谱相机5均安装在内部支架上，并处于同一光轴上；所述第一成像镜组7包括光学变焦镜头或长工作距离成像物镜，第一成像镜组7与拖曳体1下端盖上的耐压玻璃贴近并与控制单元11相连；所述液晶可调滤光器6与控制单元相连11，控制单元11通过电压来使液晶可调滤光6器透过不同波长的光，使入射到光谱相机5的光仅有荧光波段的光；
进一步的，所述彩色图像成像单元包括第二成像镜组9和彩色相机8；所述第二成像镜组9与彩色相机8均安装在内部支架上，并处于同一光轴上；所述第二成像镜组9包括光学变焦镜头或长工作距离成像物镜，与拖曳体1下端盖上的耐压玻璃贴近并与控制单元11相连；
进一步的，所述照明模块10包括LED支架和LED组合阵列；所述LED支架固定在拖曳体1的下表面；所述LED组合阵列包括多个LED阵列单元，不同的LED阵列单元其发出的光处于不同的波段内，波段分布从300nm到480nm；所述LED阵列单元均与聚光罩结合，使得光束收缩，出射能量聚集在成像区域内；所述照明模块与控制单元11相连接，控制单元11可以分别控制任何一个LED阵列单元的开启或关闭和供电电压，达到照明模块出射的激发光谱波段范围的选择和照明强弱的控制；
进一步的，所述高度测量单元包括两个超声波高度计4；所述超声波高度计4安装在下端盖的预留孔中，通过O形圈实现静密封；两个超声波高度计4分别安装在拖曳体1的前侧和后侧，以获得拖曳体1离底高度和拖曳体1的俯仰角。所述高度测量单元与控制单元11相连，控制单元11通过同时采集两个超声波高度计4的读数从而计算出拖曳体离底距离和拖曳体俯仰角；
进一步的，所述控制单元11包括工控机和发送端光端机；所述工控机与荧光光谱成像单元、彩色图像成像单元、照明模块10、高度测量单元相连接，通过串口或者电压信号来控制拖曳体内部的第一成像镜组7和第二成像镜组9的对焦、光谱相机5和彩色相机8的参数、LED的开关、选择液晶可调滤光器6的透过波段、获取并处理高度测量单元的数据，并将这些数据或者器件状态通过发送端光端机发送至上位机；
进一步的，所述发送端光端机通过水下光电复合缆与上位机通信。
本实施例中光谱相机可以采用大恒图像公司MER-1220-9GM型号的产品，但不限于从；彩色相机可以采用大恒图像公司MER-2000-5GC型号的产品，但不限于从；超声波高度计可以采用Tritech公司PA500型号的产品，但不限于从；液晶可调滤光器可以采用PekinElmer公司VariSpecTM型号的产品，但不限于从；工控机可以采用COMMELL公司LP-175型号的产品，但不限于从；第一、第二成像镜组可以采用Thorlabs公司的MV L6X12Z型号的产品，但不限于从。
本发明的工作过程如下：
(1)将拖曳体1通过拖曳缆与拖曳船连接，将拖曳式水下荧光光谱成像仪通过水密接插件2与上位机相连接并检查上位机与拖曳体之间的通信；
(2)拖曳式水下荧光光谱成像仪接通电源后，控制单元11开始接收光谱相机5和彩色相机8的实时图像并通过发送端光端机发送至上位机，并通过分析图像整体亮度来控制相机增益和成像镜组的光圈大小；
(3)控制单元11实时采集两个超声波高度计4的数据，通过计算得到拖曳体中心的离底距离和拖曳体俯仰角；
D＝0.5*(D1+D2)
θ＝arctan((D2-D1)/L)
其中D为拖曳体离底距离，θ为拖曳体俯仰角，D1为前侧超声波高度计读数，D2为后侧超声波高度计读数，L为前后超声波高度计距离；
(4)控制单元通过拖曳体中心离地距离和拖曳体俯仰角来控制成像镜组的对焦，以获得清晰的目标物光谱图像和彩色图像；
(5)将拖曳体在目标区域内匀速拖曳，以扫描整个区域的荧光光谱图像，同时上位机接收并记录控制单元所传回的数据。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本技术领域的技术人员认为，随着技术的发展，可以以许多不同的方式来实现本发明的基本构想，因此，本发明及其实施例不限于上文所述的实例。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.拖曳式水下荧光光谱成像仪，其特征在于，包括拖曳体(1)和通过内部支架安装在拖曳体(1)内部的电源模块(3)、荧光光谱成像单元、彩色图像成像单元、照明模块(10)、高度测量单元、控制单元(11)等；所述照明模块(10)、荧光光谱成像单元、彩色图像成像单元和高度测量单元均与控制单元(11)相连，其中电源模块(3)为整个拖曳式水下荧光光谱成像仪提供工作电压，在控制单元(11)的控制下照明模块(10)向海底目标物发射特定波长的荧光激发光，荧光光谱成像单元对海底目标物所激发出的荧光成像，彩色图像成像单元对目标物及其周围环境成像，高度测量单元估计拖曳体姿态并估计拖曳体离底距离。
2.根据权利要求1所述的拖曳式水下荧光光谱成像仪，其特征在于，所述拖曳体(1)主要由腔体和安装在腔体下方的下端盖组成；所述拖曳体(1)前方有用于连接拖曳缆的环状接口，腔体上方安装有水密接插件(2)；所述水密接插件(2)用于拖曳体(1)内部与外部实现信号传输和电力传输；所述下端盖上嵌有一块透明耐压玻璃，并为高度测量单元预留安装孔洞。
3.根据权利要求2所述的拖曳式水下荧光光谱成像仪，其特征在于，所述荧光光谱成像单元包括第一成像镜组(7)、液晶可调滤光器(6)和光谱相机(5)；所述第一成像镜组(7)、液晶可调滤光器(6)和光谱相机(5)均安装在内部支架上，并依次布置在同一光轴上；第一成像镜组(7)与拖曳体(1)下端盖上的耐压玻璃贴近并与控制单元(11)相连；所述液晶可调滤光器(6)与控制单元相连(11)，控制单元(11)通过电压来使液晶可调滤光(6)器透过不同波长的光，使入射到光谱相机(5)的光仅有荧光波段的光。
4.根据权利要求3所述的拖曳式水下荧光光谱成像仪，其特征在于，所述第一成像镜组7包括光学变焦镜头或长工作距离成像物镜。
5.根据权利要求4所述的拖曳式水下荧光光谱成像仪，其特征在于，所述彩色图像成像单元包括第二成像镜组(9)和彩色相机(8)；所述第二成像镜组(9)与彩色相机(8)均安装在内部支架上，并依次布置在同一光轴上；所述第二成像镜组(9)与拖曳体(1)下端盖上的耐压玻璃贴近并与控制单元(11)相连。
6.根据权利要求5所述的拖曳式水下荧光光谱成像仪，其特征在于，所述第二成像镜组(9)包括光学变焦镜头或长工作距离成像物镜。
7.根据权利要求6所述的拖曳式水下荧光光谱成像仪，其特征在于，所述照明模块(10)包括LED支架和LED组合阵列；所述LED组合阵列通过LED支架固定在拖曳体(1)的下表面；所述LED组合阵列包括多个LED阵列单元，不同的LED阵列单元其发出的光处于不同的波段内，波段分布从300nm到480nm；所述LED阵列单元均与聚光罩结合，使得光束收缩，出射能量聚集在成像区域内；所述照明模块与控制单元(11)相连接，控制单元(11)分别控制任何一个LED阵列单元的开启或关闭以及供电电压，达到照明模块出射的激发光谱波段范围的选择和照明强弱的控制。
8.根据权利要求7所述的拖曳式水下荧光光谱成像仪，其特征在于，所述高度测量单元包括超声波高度计(4)；所述超声波高度计(4)安装在下端盖的预留孔中；两个超声波高度计(4)分别安装在拖曳体(1)的前侧和后侧，以获得拖曳体(1)离底高度和拖曳体(1)的俯仰角；超声波高度计(4)与控制单元(11)相连，控制单元(11)通过同时采集两个超声波高度计(4)的读数从而计算出拖曳体离底距离和拖曳体俯仰角。
9.根据权利要求8所述的拖曳式水下荧光光谱成像仪，其特征在于，所述控制单元(11)包括工控机和发送端光端机；所述工控机分别与荧光光谱成像单元、彩色图像成像单元、照明模块(10)、高度测量单元相连接，通过发送端光端机发送至上位机。
10.根据权利要求9所述的拖曳式水下荧光光谱成像仪的成像方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)将拖曳体(1)通过拖曳缆与拖曳船连接，将拖曳式水下荧光光谱成像仪通过水密接插件(2)与上位机相连接并检查上位机与拖曳体之间的通信；
(2)拖曳式水下荧光光谱成像仪接通电源后，控制单元(11)开始接收光谱相机(5)和彩色相机(8)的实时图像并通过发送端光端机发送至上位机，并通过分析图像整体亮度来控制相机增益和成像镜组的光圈大小；
(3)控制单元(11)实时采集两个超声波高度计(4)的数据，通过计算得到拖曳体中心的离底距离和拖曳体俯仰角；
D＝0.5*(D1+D2)
θ＝arctan((D2-D1)/L)
其中D为拖曳体离底距离，θ为拖曳体俯仰角，D1为前侧超声波高度计读数，D2为后侧超声波高度计读数，L为前后超声波高度计距离；
(4)控制单元通过拖曳体中心离地距离和拖曳体俯仰角来控制成像镜组的对焦，以获得清晰的目标物光谱图像和彩色图像；
(5)将拖曳体在目标区域内匀速拖曳，以扫描整个区域的荧光光谱图像，同时上位机接收并记录控制单元所传回的数据。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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