CN110514302B - 基于小型水下机器设备的海洋光纤光谱仪检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种基于小型水下机器设备的海洋光纤光谱仪检测方法，本专利核心系统包括小型光机设备系统和光纤光谱探测系统两大模块，小型光机设备系统中的远程控制台对水下设备进行控制，吊放设备将小型水下机器设备放入水中，小型水下机器设备本体上装有观测设备和作业设备，包括摄像机、照明灯、机械手和光纤光谱仪的搭载框架，光纤光谱仪置于搭载框架中，光纤光谱探测系统中的光学平台将光纤返回的光谱数据进行解析，双目检测装置放置于光纤靠近物体的端部，用于精准检测光纤口和待测物体距离。

Description

基于小型水下机器设备的海洋光纤光谱仪检测方法

技术领域

本发明专利属于光纤检测技术领域，具体涉及一种基于小型水下机器设备的海洋光纤光谱仪检测方法。

背景技术

海洋的资源十分丰富，比如有矿产资源铁锰结核、钴锰结核等；有浮游生物资源硅藻、水母、原生动物等；有鱼类资源鳀科、鲱科等，海洋资源丰富多样，所以研究海洋资源具有十分深远的意义，海洋资源能够迎合人们对资源日益高涨的需求量，世界各国也在积极研发各种技术手段来检测海洋资源并进行资源开发，当下，光纤检测技术已经得到了很大程度的发展，海洋环境具备不稳定性和恶劣性的特点，利用光纤光谱仪技术对海洋资源开发具备很多无可比拟的优势，比如光纤具备稳定性高，抗干扰能力强，检测准确率高，耐腐蚀性好，传输距离远等优点，一方面，人们已经研究出相对成熟的光纤气体检测，布拉格光纤检测等技术，然而这类技术主要是在陆地环境中应用，目前难以在海洋环境中真正发挥其作用，另一方面，当下人们所研究的海洋检测设备都过于昂贵，这让一些个人或单位无法担负海洋检测的费用。

本发明专利根据当下海洋检测工作中的不足之处，设想出一种基于小型水下机器设备的光纤光谱检测方法，这项技术融合了自动控制技术，光纤光谱检测技术,计算机图像处理技术和双目测距技术，通过小型水下机器设备携带所需要的检测设备，岸上的工作人员通过计算机对小型水下机器设备进行操控，让机器设备能够代替人工到达人类难以达到的地方进行检测，这种检测方式不仅仅整套设备的费用低，同时检测范围广，检测精度高，可以在今后的海洋资源检测中发挥作用。

发明内容

本发明专利的目的是针对现有技术的不足，提出了一种基于小型水下机器设备的海洋光纤光谱仪检测方法，这种检测方法能够利用小型水下机器设备搭载光电检测设备进行水下检测工作，在保证检测系统经济实惠的前提下还能够大大提升人类检测海洋资源的深度和广度，光纤检测的方式具备检测精度高，抗恶劣环境能力强等特点，能够对海洋资源进行高精度的检测工作。

本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明专利包括小型光机设备系统和光纤光谱探测系统两大模块：小型光机设备系统包含水上设备和水下设备，水上设备包括远程控制台和吊放设备，水下设备包括小型水下机器设备本体，观测设备和作业设备，光纤光谱探测系统包括光学平台，探测相机和双目检测装置，小型光机设备系统中的远程控制台可以对小型水下机器设备进行控制，吊放设备将小型水下机器设备放入相应的海域，小型水下机器设备本体上装有观测设备和作业设备，观测设备包括摄像机和照明灯，作业设备包括机械手和光谱仪搭载框架，光纤光谱探测系统中的光学平台将光纤返回的信息进行解析，探测相机获得目标物体的反射光信息，双目检测装置放于光纤靠近物体的端部，用于精准检测光纤和待测物体的距离以免光纤头触碰到待测物体，光纤头到达指定位置后，小型水下机器设备搭载的光纤光谱探测系统将对目标区域进行光谱检测工作。

所述的小型光机设备系统由水上设备和水下设备组成，水上设备包括远程控制台和吊放设备，水下设备包括小型水下机器设备本体，观测设备和作业设备，工作人员在水面舰船上对水下设备进行控制，吊放设备将小型水下机器设备置于相应的海域，小型水下机器设备通过封闭式的机械结构搭载光纤光谱探测系统进行水下作业，在达到目标区域以后，机械手通过预设好的光纤口延伸到待检测的目标区域，然后入射光纤发出光源直射到目标区域，通过回馈光纤将采集到的光信号传送到光纤光谱仪进行光谱分析，同时将光谱数据存放在探测相机中，等到信号采集完毕后小型水下机器设备上浮，工作人员对采集的光谱数据进行分析并能够完成海洋资源的检测任务。

所述的小型水下机器设备本体上装有观测设备和作业设备，观测设备包括摄像机和照明灯，作业设备包括机械手和搭载框架，照明灯帮助摄像机更好地分辨水下周边的环境，同时远程控制台根据小型水下机器设备的实时状态对其进行控制，光纤光谱仪置于搭载框架中，机械手能够将光纤口延伸到水下待检测的区域，此时水下检测设备就能够对海洋中狭窄的区域进行检测。

所述的光纤光谱探测系统包括光学平台，探测相机和双目检测装置，光学平台分成光纤光谱仪和外部的双光纤，光纤光谱仪内部的光学器件包括光纤接口、狭缝、胶合透镜、光栅、光楔，当通过光纤接口反馈回来的光信号返回至入射狭缝之后产生成像物体的物点，形成的物点经过胶合透镜将其转变成平行光，平行光通过光楔实现小角度偏折并入射至光栅，透过光栅后的光信号再通过第二光楔实现小角度反偏折，接着光信号传输到相机镜头中并保存在探测相机内，连接到外部的双光纤分别为入射光纤和回馈光纤，当机械手通过将光纤的一端对准待测物体之后，光源从入射光纤照射到待测物体上，经过待测物体的反射将信号发送到回馈光纤，回馈光信号通过回馈光纤返回至光纤光谱仪，双目相机放置在光纤头的前端，用来检测光纤的前端和待测物体的距离，以免待测物体损坏光纤头，双目相机以n fps的速率采集待测物体的双目图像并通过机械臂来控制光纤的具体位置，在光纤达到距离待测物体的理想距离d cm的时候，光纤头停止继续靠向待测物体的运动，此时光纤光谱仪系统将开展采集待测物体光谱信息的工作。

所述的双目检测装置包括成像算法和双目相机这两个部分，成像算法是SIFT（特征匹配算法）和三角测距算法，SIFT算法能够找到两幅图像之间的特征匹配点，利用SIFT算法结合三角测距原理来开展双目测距工作，双目测距的公式为：E=f*B/（A1-A2），其中f是双目相机的焦距，而Ｂ是双目相机两个光轴之间的间距，（A1-A2）为视差，视差是待测物体上的特征点在双目相机的两个成像设备的感光芯片在水平方向上的距离差，将双目相机中的相机1和相机2所拍摄的图片定义成Pho1（t）和Pho2（t），两个图片的长度和宽度都是H和W，双目相机将拍摄的图片传输给远程控制台，远程控制台对同一时刻双目相机所拍摄的两幅图片进行特征匹配处理并得到两幅图像的特征匹配点，双目相机同一时刻所拍摄的两幅图片的特征匹配点连线的横坐标和纵坐标的差值依次是（dx（t），dy（t）），提取dx（t）值来预测光线端部到待测物体的距离，利用双目测距的公式能够得到待测物体与双目相机之间的距离。

所述的双目相机包括两个内部参数一致的相机，相机主要由下面组件构成：相机镜头、感光芯片、数据转换器、存储单元，双目相机的两个镜头的光轴处于平行的状态，双目相机两个镜头的中心连线和镜头光轴是垂直的状态，间距为Bmm（B是大于0的实数），两个感光芯片的法线处在平行的状态，两个法线的间距也是Bmm，双目相机的镜头朝向待测物体，相机的感光底片搜集目标物体的反射光信息，远程控制台根据特征匹配算法和双目测距算法来检测光纤头和待测物体的实时距离并控制光纤的位置来完成相应的检测工作。

本专利的有益效果：

通过本专利的方法，使用搭载光纤光谱探测系统的小型水下机器设备对海洋资源进行检测，本专利所描述的检测系统整体成本不高，同时还能够发挥光纤光谱仪检测精度高的优势，通过小型水下机器设备的机械臂将光纤延伸到狭隘的区域对待检测的物体进行检测，不仅提升了对海洋资源的检测精度，还扩展了人们对于海洋资源检测的范围。

附图说明：

图1为系统的总体示意图。

图2为光纤光谱系统的示意图。

图3为双目测距方法的示意图。

图4为双目相机的工作原理图。

具体实施方式

为了公众能够更加清楚地理解本发明专利的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细的说明，但是对实施例的描述均不是对本发明专利方案的限制，任何一句本发明专利构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应当视为本专利的技术方案范畴。

实施例1：

下面结合附图1、附图2、附图3，附图4和实施例1对本发明专利作进一步说明。

本实施例可应用于海洋资源检测领域中，如图1所示，本发明专利包括小型光机设备系统和光纤光谱探测系统两大模块：小型光机设备系统包括水上设备和水下设备，水上设备包括远程控制台和吊放设备，水下设备包括小型水下机器设备本体，观测设备和作业设备，光纤光谱仪系统包括光学平台，探测相机8和双目检测装置12，小型水下设备系统中的远程控制台对小型水下机器设备进行控制，吊放设备可将小型水下机器设备放入水中，小型水下机器设备本体上装有观测设备和作业设备，观测设备包括摄像机和照明灯，作业设备包括机械手和光谱仪搭载框架，光纤光谱仪系统中的光学平台将光纤返回的数据进行解析，光纤光谱仪系统中的探测相机8存储目标物体的反射光数据，双目检测装置12放置于光纤靠近物体的端部，用于精准检测光纤和待测物体的距离以免光纤头触碰到待测物体，光纤头到达指定位置后，小型水下机器设备搭载的光纤光谱探测系统将对目标区域进行光谱检测工作。

所述的小型光机设备系统由水上设备和水下设备组成，水上设备包括远程控制台和吊放设备，水下设备包括小型水下机器设备本体和作业设备，由工作人员在水面舰船上对水下设备进行控制，吊放设备将小型水下机器设备置于相应的海域，小型水下机器设备通过封闭式的机械结构搭载光纤光谱探测系统进行水下作业，在达到目标区域以后，机械手通过预设好的光纤口延伸到待检测的目标区域，然后入射光纤口发出光源直射到目标区域，通过回馈光纤口将采集到的光信号传送到光谱仪进行光谱分析，同时将光谱数据存放在探测相机8中，等到信号采集完毕后小型水下机器设备上浮，工作人员对保存的光谱数据进行分析并能够完成海洋资源的检测任务。

所述的小型光机设备本体上装有观测设备和作业设备，观测设备包括摄像机和照明灯，作业设备包括机械手和搭载框架，照明灯帮助小型水下机器设备搭载的摄像机更好地分辨水下周边的环境，机械手将光纤口延伸到水下待检测的区域，此时水下检测设备能够对海洋中一些狭窄的区域进行检测。

如图2所示，所述的光纤光谱探测系统包括光学平台，探测相机8，外部的双光纤和双目检测装置12，光学平台主要分成光谱仪内部的光学器件和连接到外部的双光纤，光纤光谱仪内部的光学器件包括光纤接口1、狭缝2、胶合透镜3、第一光楔4、光栅5、第二光楔6，当回馈光纤9回来的光信号通过光纤接口1返回至入射狭缝2之后产生成像物体的物点，形成的物点经过胶合透镜3将其转变成平行光，平行光通过第一光楔4小角度偏折并入射至光栅5，透过光栅5后的光信号再通过第二光楔6实现小角度反偏折，接着光信号射入相机镜头7，由探测相机8存储目标物体的反射光信号，连接到外部的双光纤分别为回馈光纤9和入射光纤10，当机械手通过人工控制将光纤的一端对准待测物体之后，光源11从入射光纤10照射到待测物体上，经过待测物体的反射将信号发送到回馈光纤9，回馈光信号由光纤光谱仪系统处理并保存，双目相机放置在光纤头的前端，用来检测光纤的前端和待测物体的距离，以免待测物体损坏光纤头，双目相机以n fps的速率采集待测物体的双目图像并通过机械臂来控制光纤的具体位置，在光纤达到距离待测物体的理想距离d cm的时候，光纤头停止继续靠向待测物体的运动，此时光纤光谱仪系统将开展采集待测物体的光谱信息的工作。

所述的双目检测装置12包括成像算法和双目相机这两个部分，成像算法包含SIFT（特征匹配）算法，双目测距算法，SIFT算法能够找到两幅图像之间的特征匹配点，双目检测装置中含有两个独立的相机，两个独立的相机在对待测物体进行拍照的过程中有一定的视差，视差的计算公式为：视差=像素点位移量×单个像素边长，而双目测距算法原理如下：如图3所示，D是水下待检测物体的一个特征点，而D1和D2依次为双目相机的两个光心，点D在双目相机感光芯片上的成像点一次是C1和C2，本双目测距算法将双目相机的成像平面进行旋转并且放置到了镜头的前面，f是相机的焦距，B是两个相机中心的距离，E是双目检测工作需要获得的距离信息，当D1与D2的距离是G，经过计算能够得到：G=B-（A1-A2），依照相似三角形理论，得到等式：[B-（A1-A2）]/B=（E-f）/E，并测算得到：E=f×B/（A1-A2），在等式里面，焦距f与摄像头中心距B能够通过标定实验得到具体的数值，将双目相机中的相机1和相机2所拍摄的图片定义成Pho1（t）和Pho2（t），两个图片的长度和宽度都是H和W，双目相机将拍摄的图片传输给水面的远程控制台，远程控制台对同一时刻双目相机所拍摄的两幅图片进行特征匹配处理并得到特征匹配点，在t1时刻，双目相机同一时刻所拍摄的两幅图片的特征匹配点连线的横坐标和纵坐标的差值依次是（dx（t1），dy（t1）），提取dx（t1）值来预测光纤端部到待测物体的距离，本系统中知道视差dx（t1）（对应于（A1-A2））就可以得到双目检测所需要得到的距离值E。

如图4所示，所述的双目相机包括两个内部参数一致的相机，相机主要由下面组件构成：相机镜头、感光芯片、数据转换器、存储单元，双目相机的两个镜头的光轴处于平行的状态，双目相机的两个镜头的中心连线和镜头光轴是垂直的状态，间距为B毫米（B是大于0的实数），两个感光芯片的法线处在平行的状态，两个法线的间距也是B毫米，双目相机的镜头朝向待测物体，相机的感光底片采集光信息，远程控制台根据特征匹配算法和双目测距算法来检测光纤头和海洋中待测物体的实时距离并控制光纤的位置来完成相应的检测工作。

Claims (6)

1.一种基于小型水下机器设备的海洋光纤光谱仪检测方法，其特征在于包括小型光机设备系统和光纤光谱探测系统两大模块：小型光机设备系统包含水上设备和小型水下机器设备，水上设备包括远程控制台和吊放设备，小型水下机器设备包括小型水下机器设备本体，观测设备和作业设备，光纤光谱探测系统包括光学平台，探测相机和双目检测装置，小型光机设备系统中的远程控制台对小型水下机器设备进行控制，吊放设备将小型水下机器设备放入相应的海域，小型水下机器设备本体上装有观测设备和作业设备，观测设备包括摄像机和照明灯，作业设备包括机械手和光谱仪搭载框架，光纤光谱探测系统中的光学平台将光纤返回的信息进行解析，探测相机获得待测物体的反射光信息，双目检测装置放于光纤靠近物体的端部，用于精准检测光纤和待测物体的距离以免光纤头触碰到待测物体，光纤头到达指定位置后，小型水下机器设备搭载的光纤光谱探测系统将对待测物体进行光谱检测工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于小型水下机器设备的海洋光纤光谱仪检测方法，其特征在于所述小型水下机器设备，工作人员在水面舰船上对小型水下机器设备进行控制，吊放设备将小型水下机器设备置于相应的海域，小型水下机器设备通过封闭式的机械结构搭载光纤光谱探测系统进行水下作业，在达到待测物体以后，机械手通过预设好的光纤口延伸到待检测的待测物体，然后入射光纤发出光源直射到待测物体，通过回馈光纤将采集到的光信号传送到光纤光谱仪进行光谱分析，同时将光谱数据存放在探测相机中，等到信号采集完毕后小型水下机器设备上浮，工作人员对采集的光谱数据进行分析并能够完成海洋资源的检测任务。

3.根据权利要求1所述的一种基于小型水下机器设备的海洋光纤光谱仪检测方法，其特征在于所述的观测设备和作业设备中，照明灯帮助摄像机更好地分辨水下周边的环境，同时远程控制台根据小型水下机器设备的实时状态对其进行控制，光纤光谱仪置于搭载框架中，机械手能够将光纤口延伸到水下待检测的区域，此时水下检测设备就能够对海洋中狭窄的区域进行检测。

4.根据权利要求1所述的一种基于小型水下机器设备的海洋光纤光谱仪检测方法，其特征在于所述的光纤光谱探测系统包括光学平台，探测相机和双目检测装置，光学平台分成光纤光谱仪和外部的双光纤，光纤光谱仪内部的光学器件包括光纤接口、狭缝、胶合透镜、光栅、光楔，当通过光纤接口反馈回来的光信号返回至入射狭缝之后产生成像物体的物点，形成的物点经过胶合透镜将其转变成平行光，平行光通过光楔实现小角度偏折并入射至光栅，透过光栅后的光信号再通过第二光楔实现小角度反偏折，接着光信号传输到相机镜头中并保存在探测相机内，连接到外部的双光纤分别为入射光纤和回馈光纤，当机械手通过将光纤的一端对准待测物体之后，光源从入射光纤照射到待测物体上，经过待测物体的反射将信号发送到回馈光纤，回馈光信号通过回馈光纤返回至光纤光谱仪，双目检测装置的双目相机放置在光纤头的前端，用来检测光纤的前端和待测物体的距离，以免待测物体损坏光纤头，双目相机以n fps的速率采集待测物体的双目图像并通过机械臂来控制光纤的具体位置，在光纤达到距离待测物体的理想距离d cm的时候，光纤头停止继续靠向待测物体的运动，此时光纤光谱探测系统将开展采集待测物体光谱信息的工作。

5.根据权利要求1所述的一种基于小型水下机器设备的海洋光纤光谱仪检测方法，其特征在于所述的双目检测装置包括成像算法和双目相机这两个部分，成像算法是SIFT特征匹配算法和三角测距算法，SIFT算法能够找到两幅图像之间的特征匹配点，利用SIFT算法结合三角测距原理来开展双目测距工作，双目测距的公式为：E＝f×B/(A1-A2)，其中f是双目相机的焦距，而B是双目相机两个光轴之间的间距，(A1-A2)为视差，视差是待测物体上的特征点在双目相机的两个成像设备的感光芯片在水平方向上的距离差，将双目相机中的相机一和相机二所拍摄的图片定义成Pho1(t)和Pho2(t)，两个图片的长度和宽度都是H和W，双目相机将拍摄的图片传输给远程控制台，远程控制台对同一时刻双目相机所拍摄的两幅图片进行特征匹配处理并得到两幅图像的特征匹配点，双目相机同一时刻所拍摄的两幅图片的特征匹配点连线的横坐标和纵坐标的差值依次是(dx(t)，dy(t))，提取dx(t)值来预测光线端部到待测物体的距离，利用双目测距的公式能够得到待测物体与双目相机之间的距离。

6.根据权利要求5所述的一种基于小型水下机器设备的海洋光纤光谱仪检测方法，其特征在于所述的双目相机包括两个内部参数一致的相机，相机主要由下面组件构成：相机镜头、感光芯片、数据转换器、存储单元，双目相机的两个镜头的光轴处于平行的状态，双目相机两个镜头的中心连线和镜头光轴是垂直的状态，间距为B毫米，B是大于0的实数，两个感光芯片的法线处在平行的状态，两个法线的间距也是B毫米，双目相机的镜头朝向待测物体，相机的感光芯片搜集待测物体的反射光信息，远程控制台根据SIFT特征匹配算法和三角测距算法来检测光纤头和待测物体的实时距离并控制光纤的位置来完成相应的检测工作。

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