CN111505661A - 基于激光扫描成像的海面搜索照明成像装置 - Google Patents

基于激光扫描成像的海面搜索照明成像装置 Download PDF

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Abstract

基于激光扫描成像的海面搜索照明成像装置，属于海洋探测技术领域，本发明为解决现有海面搜寻设备在海面能见度较低时难以满足实际需求的问题。本发明包括光收发单元、二维扫描转台和控制显示单元；光收发单元采用二维扫描摆镜对搜索目标进行小于等于10°角度范围的激光扫描成像和测距；二维扫描转台承载光收发单元，使光收发单元对搜索目标进行大于10°角度范围的激光扫描成像和测距；控制显示单元采集光收发单元采集的每个点的成像和测距数据，将每个点的成像组成图像帧后进行实时显示，根据每个点的测距数据输出搜索目标的三维位置。本发明用于海面搜索。

Description

基于激光扫描成像的海面搜索照明成像装置
技术领域
本发明涉及一种海面搜索照明成像装置，属于海洋探测技术领域。
背景技术
随着经济和社会的发展，海洋变得越来越重要，海上的人类活动也越来越多。海洋活动有三大主题，分别是海洋科学研究、海洋探测和海洋资源开发。无论是哪类海洋活动，都离不开对海面目标的搜寻。
在海面雾气较大时，对于找寻和观察海面上的目标非常地困难。海面搜寻设备一般前端安装探照灯，用来照明以协助搜索。由于LED探照灯光束比较发散，导致目标物体返回的光能量不够强，造成海面搜索和成像系统工作距离比较近。传统LED照明方案成像距离在海面雾气较大时通常不足100米，难以满足实际应用需求。
发明内容
本发明目的是为了解决现有海面搜寻设备在海面能见度较低时难以满足实际需求的问题，提供了一种基于激光扫描成像的海面搜索照明成像装置。
本发明所述基于激光扫描成像的海面搜索照明成像装置，它包括光收发单元、二维扫描转台和控制显示单元；
光收发单元采用二维扫描摆镜对搜索目标进行小于等于10°角度范围的激光扫描成像和测距；
二维扫描转台承载光收发单元，使光收发单元对搜索目标进行大于10°角度范围的激光扫描成像和测距；
控制显示单元采集光收发单元采集的每个点的成像和测距数据，将每个点的成像组成图像帧后进行实时显示，根据每个点的测距数据输出搜索目标的三维位置。
优选的，光收发单元包括激光器、准直光路、反射镜、分束镜、收发天线、二维扫描摆镜、光学窗口、聚焦光路和探测器；
激光器发出的激光经过准直光路形成平行光，该平行光入射至反射镜进行反射，反射光经过分束镜分束，折射光入射至收发天线，经过收发天线发射出的光经过二维扫描摆镜形成区域覆盖光束的出射光，该出射光通过光学窗口透射发出；
光学窗口发出的光入射至搜索目标，搜索目标的散射光经过光学窗口后入射至二维扫描摆镜，该散射光经过二维扫描摆镜扫描后返回至收发天线，收发天线发射出的返回光入射至分束镜，分束镜分束后的光经过聚焦光路形成点的成像，并将形成的点成像发送至探测器。
优选的，二维扫描转台包括经纬仪转台、光纤陀螺仪和上位机；
经纬仪转台根据上位机的控制进行不同方位的俯仰角度扫描；
光纤陀螺仪在经纬仪转台位于不同角度的扫描过程中测量当前瞄准状态下经纬仪转台的惯性空间角度姿态，并将测量结果实时上传至上位机；
上位机根据光纤陀螺仪的实时测量数据和经纬仪转台当前的瞄准角位置，获取搜索目标的空间角位置信息。
优选的，控制显示单元包括数据处理电路和数据显示器；
数据处理电路控制激光器的激光脉冲发射、二维扫描摆镜的扫描、探测器的数据接收和经纬仪转台在扫描过程中的大角度扫描；
数据显示器将探测器接收到的点成像组成图像帧后进行实时显示，同时显示当前时刻经纬仪转台的扫描角度、图像帧的空间方位和搜索目标的空间位置。
优选的，激光器发出670nm的激光。
优选的，光学窗口透射发出的光束的发散角为0.4°，单帧扫描点阵为32×32，对应10°立体角范围。
本发明的优点：本发明针对在海面能见度较低时找寻和观察物体的应用需求，提出了一种基于激光扫描成像的海面搜索照明成像装置，该装置利用激光代替LED实现海面远距离的搜索照明成像，增加系统的有效搜索照明工作距离至5000米以上，可以有效解决目前海面雾气较大时难以搜寻到目标的问题，增大了在海面能见度较低时的搜索距离，提高了工作效率。
附图说明
图1是本发明所述基于激光扫描成像的海面搜索照明成像装置的结构示意图；
图2是本发明所述光收发单元的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述基于激光扫描成像的海面搜索照明成像装置，它包括光收发单元1、二维扫描转台2和控制显示单元3；
光收发单元1采用二维扫描摆镜对搜索目标进行小于等于10°角度范围的激光扫描成像和测距；
二维扫描转台2承载光收发单元1，使光收发单元1对搜索目标进行大于10°角度范围的激光扫描成像和测距；
控制显示单元3采集光收发单元1采集的每个点的成像和测距数据，将每个点的成像组成图像帧后进行实时显示，根据每个点的测距数据输出搜索目标的三维位置。
本实施方式中，光收发单元1进行小角度扫描，二维扫描转台2承载光收发单元1进行大角度扫描，实现全角度范围的搜索照明成像和测距。控制显示单元3用于光收发单元1中激光器的控制、探测数据处理、图像合成和显示。
进一步的，光收发单元1包括激光器1-1、准直光路1-2、反射镜1-3、分束镜1-4、收发天线1-5、二维扫描摆镜1-6、光学窗口1-7、聚焦光路1-8和探测器1-9；
激光器1-1发出的激光经过准直光路1-2形成平行光，该平行光入射至反射镜1-3进行反射，反射光经过分束镜1-4分束，折射光入射至收发天线1-5，经过收发天线1-5发射出的光经过二维扫描摆镜1-6形成区域覆盖光束的出射光，该出射光通过光学窗口1-7透射发出；
光学窗口1-7发出的光入射至搜索目标，搜索目标的散射光经过光学窗口1-7后入射至二维扫描摆镜1-6，该散射光经过二维扫描摆镜1-6扫描后返回至收发天线1-5，收发天线1-5发射出的返回光入射至分束镜1-4，分束镜1-4分束后的光经过聚焦光路1-8形成点的成像，并将形成的点成像发送至探测器1-9。
再进一步的，二维扫描转台2包括经纬仪转台、光纤陀螺仪和上位机；
经纬仪转台根据上位机的控制进行不同方位的俯仰角度扫描；
光纤陀螺仪在经纬仪转台位于不同角度的扫描过程中测量当前瞄准状态下经纬仪转台的惯性空间角度姿态，并将测量结果实时上传至上位机；
上位机根据光纤陀螺仪的实时测量数据和经纬仪转台当前的瞄准角位置，获取搜索目标的空间角位置信息。
本实施方式中，经纬仪转台在上位机的控制下进行方位和俯仰两个方面的角度扫描，实现三维空间的全角度覆盖。
再进一步的，上位机获取搜索目标的空间角位置信息的具体方法为：
经纬仪转台根据上位机的控制进行不同方位的俯仰角度扫描，获取瞄准角为[θA0,θE0]；
光纤陀螺仪在经纬仪转台位于不同角度的扫描过程中测量当前瞄准状态下经纬仪转台的惯性空间角度姿态，测量数据为
Figure BDA0002435508890000041
上位机计算搜索目标的空间角位置信息[θA1,θE1]：
Figure BDA0002435508890000042
其中，ΔtA表示经纬仪转台方位轴与上位机的传输时延，ΔtE表示经纬仪转台俯仰轴与上位机的传输时延。
再进一步的，控制显示单元3包括数据处理电路和数据显示器；
数据处理电路控制激光器1-1的激光脉冲发射、二维扫描摆镜1-6的扫描、探测器1-9的数据接收和经纬仪转台在扫描过程中的大角度扫描；
数据显示器将探测器1-9接收到的点成像组成图像帧后进行实时显示，同时显示当前时刻经纬仪转台的扫描角度、图像帧的空间方位和搜索目标的空间位置。
本实施方式中，在数据处理电路的控制下，单帧扫描点阵32×32可在100ms时间内完成，对应10°以上立体角范围。在此基础上，控制经纬仪转台的大角度瞄准，覆盖4π空间需要扫描点阵36×18，对应扫描时间64.8s。
再进一步的，激光器1-1发出670nm的激光。
本实施方式中，激光器1-1的平均功率为1W，脉冲峰值功率为1kW，与探测器1-9相互配合，可以实现10m以上有效搜索探测距离。
再进一步的，光学窗口1-7透射发出的光束的发散角为0.4°，单帧扫描点阵为32×32，对应10°立体角范围。
本发明中，采用670nm激光作为光源，具有较强的穿雾能力，能够实现远距离的成像；采用激光束二维扫描成像方案，降低了光源体积和功耗，实现了整个装置的小型化和低功耗；采用收发同轴的光学系统，收发同轴的稳定度很高，成像效果稳定可靠。
本发明采用670nm的激光器，搜索范围是2π空间角域，5000m以上距离，定位精度为0.4°角度定位，0.3m距离定位，图像显示帧频为10Hz。
本发明中，激光器1-1采用长春新产业光电技术有限公司的EO-XS-671光纤输出的调Q脉冲激光器，单脉冲能量1-50μJ，重复频率10kHz，平均能量1-500mW。准直光路1-2采用上海丰天信息技术有限公司的PCM-08-830-MM-3-4-FC/PC型光纤准直器，产品外径8mm，光斑直径4mm。反射镜1-3采用Thorlabs公司的BB07-E02型号的平面反射镜，反射镜直径19mm。分束镜1-4采用Thorlabs公司的BS010型号的50:50分束镜，分束镜边长10mm。收发天线1-5采用Thorlabs公司的GBE05-A型伽利略望远镜，接收孔径是45mm，长度85.5mm。二维扫描摆镜1-6采用Thorlabs公司的GVS312型双轴大光束扫描振镜系统，最大光束直径10mm。光学窗口1-7采用Thorlabs公司的WG31050型的蓝宝石光学窗口片，直径25.4mm。聚焦光路1-8采用Thorlabs公司的LA4280-YAG型平凸透镜，直径6mm，焦距10mm。探测器1-9采用康冠光电的KG-PD-1G型模拟光电探测器，带宽1GHz。经纬仪转台采用PI公司的两个V-610型的旋转台按照T字型组合，转台最小位移27微弧度，行程360度。光纤陀螺仪采用西安中科华芯测控有限公司的FOG-203型双轴光纤陀螺仪，零偏稳定性不大于5度/小时，零偏重复性不大于5度/小时。数据处理电路采用研华公司的IPC-610型工控机。数据显示器采用研华公司的FPM-7061T型6.5寸VGA工业显示器。
本发明中，与LED光源相比，激光光束的特点是干涉性好，方向性好。采用透雾能力较强的红光波段激光器作为探照光源，可使光束能量集中在一小块区域，显著增强目标物体返回光强度。为解决激光光速搜索覆盖范围有限难题，本发明提出了通过二维摆镜和二维转台两种方式结合进行激光光束扫描的方法。利用二维摆镜进行激光光束小角度范围覆盖，结合二维转台进行激光光束大角度范围覆盖，通过收发共轴光路中的激光探测器，实时获取激光回波数据，通过激光图像合成处理算法，以视频流形式显示激光三维距离像和强度像。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.基于激光扫描成像的海面搜索照明成像装置，其特征在于，它包括光收发单元(1)、二维扫描转台(2)和控制显示单元(3)；
光收发单元(1)采用二维扫描摆镜对搜索目标进行小于等于10°角度范围的激光扫描成像和测距；
二维扫描转台(2)承载光收发单元(1)，使光收发单元(1)对搜索目标进行大于10°角度范围的激光扫描成像和测距；
控制显示单元(3)采集光收发单元(1)采集的每个点的成像和测距数据，将每个点的成像组成图像帧后进行实时显示，根据每个点的测距数据输出搜索目标的三维位置。
2.根据权利要求1所述的基于激光扫描成像的海面搜索照明成像装置，其特征在于，光收发单元(1)包括激光器(1-1)、准直光路(1-2)、反射镜(1-3)、分束镜(1-4)、收发天线(1-5)、二维扫描摆镜(1-6)、光学窗口(1-7)、聚焦光路(1-8)和探测器(1-9)；
激光器(1-1)发出的激光经过准直光路(1-2)形成平行光，该平行光入射至反射镜(1-3)进行反射，反射光经过分束镜(1-4)分束，折射光入射至收发天线(1-5)，经过收发天线(1-5)发射出的光经过二维扫描摆镜(1-6)形成区域覆盖光束的出射光，该出射光通过光学窗口(1-7)透射发出；
光学窗口(1-7)发出的光入射至搜索目标，搜索目标的散射光经过光学窗口(1-7)后入射至二维扫描摆镜(1-6)，该散射光经过二维扫描摆镜(1-6)扫描后返回至收发天线(1-5)，收发天线(1-5)发射出的返回光入射至分束镜(1-4)，分束镜(1-4)分束后的光经过聚焦光路(1-8)形成点的成像，并将形成的点成像发送至探测器(1-9)。
3.根据权利要求2所述的基于激光扫描成像的海面搜索照明成像装置，其特征在于，二维扫描转台(2)包括经纬仪转台、光纤陀螺仪和上位机；
经纬仪转台根据上位机的控制进行不同方位的俯仰角度扫描；
光纤陀螺仪在经纬仪转台位于不同角度的扫描过程中测量当前瞄准状态下经纬仪转台的惯性空间角度姿态，并将测量结果实时上传至上位机；
上位机根据光纤陀螺仪的实时测量数据和经纬仪转台当前的瞄准角位置，获取搜索目标的空间角位置信息。
4.根据权利要求3所述的基于激光扫描成像的海面搜索照明成像装置，其特征在于，上位机获取搜索目标的空间角位置信息的具体方法为：
经纬仪转台根据上位机的控制进行不同方位的俯仰角度扫描，获取瞄准角为[θA0,θE0]；
光纤陀螺仪在经纬仪转台位于不同角度的扫描过程中测量当前瞄准状态下经纬仪转台的惯性空间角度姿态，测量数据为
Figure FDA0002435508880000021
上位机计算搜索目标的空间角位置信息[θA1,θE1]：
Figure FDA0002435508880000022
其中，ΔtA表示经纬仪转台方位轴与上位机的传输时延，ΔtE表示经纬仪转台俯仰轴与上位机的传输时延。
5.根据权利要求3或4所述的基于激光扫描成像的海面搜索照明成像装置，其特征在于，控制显示单元(3)包括数据处理电路和数据显示器；
数据处理电路控制激光器(1-1)的激光脉冲发射、二维扫描摆镜(1-6)的扫描、探测器(1-9)的数据接收和经纬仪转台在扫描过程中的大角度扫描；
数据显示器将探测器(1-9)接收到的点成像组成图像帧后进行实时显示，同时显示当前时刻经纬仪转台的扫描角度、图像帧的空间方位和搜索目标的空间位置。
6.根据权利要求2-4任一项所述的基于激光扫描成像的海面搜索照明成像装置，其特征在于，激光器(1-1)发出670nm的激光。
7.根据权利要求2-4所述的基于激光扫描成像的海面搜索照明成像装置，其特征在于，光学窗口(1-7)透射发出的光束的发散角为0.4°，单帧扫描点阵为32×32，对应10°立体角范围。
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