CN112284294A - 一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统，包括：载体，用于控制本系统在水下空间进行目标物体扫描，并获取系统实时惯导数据；水下激光发射单元，搭载在所述载体上，所述水下激光发射单元包括多个不同波段的线性激光器，各线性激光器发射的激光线两两交叉，与目标物表面形成多激光波段的交叉线阵；水下成像仪，搭载在所述载体上，用于采集表面覆盖所述交叉线阵的目标物的图像序列；控制单元，用于接收所述的惯导数据和所述的图像序列，从所述图像序列中提取交叉线阵坐标数据，再基于三角三测距原理，计算得到目标物交叉线阵上各点与水下成像仪的相对坐标，将所述惯导数据与所述相对坐标相结合，得到目标物表面交叉线阵的空间坐标。

Description

一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统
技术领域
本发明涉及一种水下结构光三维扫描系统，特别是一种使用多波段交叉线阵激光进行水下目标物三维测量的扫描系统。
背景技术
水下激光三维扫描系统通常是由水下摄像机、水下线结构激光器、支架与载体构成。载体携带支架以及固定在支架上的水下摄像机与水下线结构激光器进行移动。激光器发射线结构光在目标物表面形成激光条带，通过水下摄像机记录激光条带的分布情况。将记录下的条带图像序列与自身位移数据相结合，可以复原出目标物三维图像。水下激光三维扫描可以实现高精度三维成像，适用于海底目标物精细扫描，因此被应用于海洋可靠，是一种实用的海洋地质勘探的工具。
随着海洋科考工作逐步推进，对于扫描精度的要求也不断提升，单纯利用单线扫描进行三维扫描会导致线上扫描点比较密集，空间分辨率较高，但是线与线之间空间分辨率较低。为更好解决单线扫描的运动方向分辨率较低、分辨率分布不均匀的问题，通过提出交叉扫描线阵和系统总体优化设计，提高扫描空间分辨率、姿扫描点空间分布均匀性。与此同时，不同扫描方向采用不同波段的激光，可以有效进行激光扫描条带的区分问题。然而，当前市面上的水下三维激光扫描系统并不具备多波段交叉线阵扫描的功能。
发明内容
本发明实施例的目的提供一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统，该装置利用水下成像仪获取多波段线阵扫描图像序列，并根据三角法测距原理计算目标物的三维空间坐标点云，从而复原目标物三维外形；根据同步测量的载体惯导，获取水下成像仪所处空间位置、俯仰角；以解决现有存在的单线三维激光扫描运动方向三维激光扫描精度低、多线三维激光扫描激光线识别及数据提取困难的问题。
为了达到上述目的，本发明实施例是通过以下技术方案实现的：一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统，包括：
载体，用于控制本系统在水下空间进行目标物体扫描，并获取系统实时惯导数据；
水下激光发射单元，搭载在所述载体上，所述水下激光发射单元包括多个不同波段的线性激光器，各线性激光器发射的激光线两两交叉，与目标物表面形成多激光波段的交叉线阵；
水下成像仪，搭载在所述载体上，用于采集表面覆盖所述交叉线阵的目标物的图像序列；
控制单元，用于接收所述的惯导数据和所述的图像序列，从所述图像序列中提取交叉线阵坐标数据，再基于三角三测距原理，计算得到目标物交叉线阵上各点与水下成像仪的相对坐标，将所述惯导数据与所述相对坐标相结合，得到目标物表面交叉线阵的空间坐标。
进一步地，所述水下成像仪、水下激光发射单元平行安装于支架上，所述支架安装在载体上。
进一步地，所述水下成像仪包括成像仪密封舱以及安装在成像仪密封舱内的成像镜头、液晶可调谐滤光片、微光相机、对焦控制电路和集线器；所述成像镜头、液晶可调谐滤光片和微光相机依次布置在同一光轴上；微光相机、液晶可调谐滤光片和对焦控制电路均通过集线器与控制单元，对焦控制电路控制成像镜头进行对焦。
进一步地，所述成像镜头采用电动对焦镜头。
进一步地，所述控制单元包括控制单元密封舱以及安装在控制单元密封舱内的微型工控机，所述水下成像仪和载体均与微型工控机相连，微型工控机接收所述的图像序列和所述的惯导数据，从所述图像序列中提取交叉线阵坐标数据，基于三角三测距原理，计算得到目标物交叉线阵上各点与水下成像仪的相对坐标，在将所述惯导数据与所述相对坐标数据相结合，得到目标物表面交叉线阵的空间坐标。
进一步地，所述控制单元还包括电源管理模块，所述电源管理模块为所述水下成像仪、水下激光发射单元提供电压。
进一步地，所述控制单元还包括存储模块，所述存储模块与微型工控机相连，用于存储所述空间坐标。
进一步地，所述水下激光发射单元包括水下激光发射单元密封舱以及安装在水下激光发射单元密封舱内的多个不同波段的线性激光器。
进一步地，所述线性激光器呈正多边形平行排布；各线性激光器发射的线结构光形成的闭合多边形为正多边形。
进一步地，所述载体在水下进行移动并将惯导数据传输至控制单元。
根据以上技术方案，相对于现有技术，本发明的有益效果如下：本发明采用交叉线阵激光扫描，可以有效提高目标物三维扫描分辨率；本发明采用多波段交叉线阵激光扫描，可以有效解决单线三维激光扫描运动方向三维激光扫描精度低、多线三维激光扫描激光线识别及数据提取困难的问题；本发明采用结构光扫描技术可直接获取所摄目标物对应三维空间信息，可得到高精度目标物实际尺寸；本发明的水下成像仪采用微光相机作为成像传感器，大大提升了水下成像质量；采用电动对焦镜头，保证了成像清晰度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统的整体结构示意图；
图2是本发明实施例中水下成像仪的内外部结构示意图；
图3是本发明实施例中控制单元的内部结构示意图；
图4是本发明实施例中水下激光发射单元的内部结构示意图；
图中，1.水下成像仪，2.控制单元，3.水下激光发射单元，4.支架，5.载体，6.成像仪密封舱，7.成像镜头，8.液晶可调谐滤光片，9.微光相机，10.对焦控制电路，11.集线器，12.控制单元密封舱，13.存储模块，14.微型工控机，15.电源管理模块，16.水下激光发射单元密封舱，17.线性激光器一，18.线性激光器二，19.线性激光器三。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1-4所示，本发明实施例提供一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统，包括
载体5，用于控制本系统在水下空间进行目标物体扫描，并获取系统实时惯导数据；
水下激光发射单元3，搭载在所述载体5上，所述水下激光发射单元3包括多个不同波段的线性激光器，各线性激光器发射的激光线两两交叉，与目标物表面形成多激光波段的交叉线阵；
水下成像仪1，搭载在所述载体上，用于采集表面覆盖所述交叉线阵的目标物的图像序列；
控制单元2，分别与所述载体5、水下激光发射单元3和水下成像仪1，用于接收所述的惯导数据和所述的图像序列，从所述图像序列中提取交叉线阵坐标数据，再基于三角三测距原理，计算得到目标物交叉线阵上各点与水下成像仪的相对坐标，将所述惯导数据与所述相对坐标相结合，得到目标物表面交叉线阵的空间坐标。
在本申请一实施例中，所述水下成像仪1、水下激光发射单元3平行安装于支架4上，所述支架4安装在载体5上。
在本申请一实施例中，所述水下成像仪1包括成像仪密封舱6以及安装在成像仪密封舱6内的成像镜头7、液晶可调谐滤光片8、微光相机9、对焦控制电路10和集线器11；由成像仪密封舱6保证其在水下正常工作，所述成像镜头7、液晶可调谐滤光片8和微光相机9依次布置在同一光轴上。微光相机9、液晶可调谐滤光片8和对焦控制电路10均通过集线器11与控制单元2，对焦控制电路10控制成像镜头7进行对焦。
进一步地，所述成像仪密封舱6为圆筒形，由金属圆筒、前端盖、后端盖、O形圈、水密接插件等组成，前端盖设置光学玻璃窗口使外部光线可以进入成像镜头7；所述液晶可调谐滤光片8位于微光相机9和成像镜头7之间，对通过成像镜头7的光线进行滤光，输出对应特定波段的光谱；所述对焦控制电路10驱动成像镜头7内部的调焦电机运动，使特定波段的光谱聚焦到所述微光相机9的成像平面上，不仅避免了成像仪封装完成后无法进行对焦的弊端，还能通过控制电路自动对焦得到的较与人工对焦更为清晰的图像；所述微光相机9具有较高的量子响应效率，可以有效减弱水体衰减的限制，适合用于采集水下图像；所述微光相机9、液晶可调谐滤光片8、对焦控制电路10均通过集线器11与微型工控机14相连，对焦控制电路10控制成像镜头7进行对焦；所述成像镜头7采用电动对焦镜头。
在本申请一实施例中，所述控制单元2包括控制单元密封舱12以及安装在控制单元密封舱12内的存储模块13、微型工控机14和电源管理模块15；电源管理模块15为水下成像仪1和水下激光发射单元3提供电压；水下成像仪1、水下激光发射单元3以及载体5均与微型工控机14相连；
进一步地，所述控制单元密封舱12由金属圆筒、前端盖、后端盖等组成，通过O形圈实现静密封，前后端盖上均匀分布安装多个水密接插件，所述水密接插件用于密封舱内部与外部实现信号传输或电力传输；所述载体5可以向微型工控机14进行数据采集、传输以及装置控制指令，微型工控机14从图像序列中提取交叉线阵坐标数据，并基于三角三测距原理计算得到目标物交叉线阵上各点与水下成像仪的相对坐标；微型工控机14再将载体传输而来的惯导数据与上述交叉线阵相对坐标数据相结合，得到目标物表面交叉线阵的空间坐标，并导入存储模块13中。
在本申请一实施例中，所述水下激光发射单元3包括水下激光发射单元密封舱16以及安装在水下激光发射单元密封舱16内的线性激光器一17、线性激光器二18和线性激光器三19；本实例采用三个，即线性激光器一17、线性激光器二18和线性激光器三19，三个激光发射器呈正三角形平行排布于水下激光发射单元密封舱16内；所述水下激光发射单元密封舱16由金属圆筒、前端盖、后端盖等组成，通过O形圈实现静密封，后端盖上均匀分布安装多个水密接插件，所述水密接插件用于密封舱内部与外部实现信号传输或电力传输，后端盖上分布多个光学玻璃窗口使线性激光器一17、线性激光器二18和线性激光器三19发射激光能达到目标物。
本实施例中成像镜头7可以采用Thorlabs公司的MV L6X12Z型号的产品，但不限于此；谐滤光片8可以采用CRi公司VIS-10VariSpec Filter型号的产品，但不限于此；微光相机9可以采用Andor公司iXon Ultra 888EMCCD型号的产品，但不限于此；液晶可调对焦控制电路10可以采用公布号为CN1080408A的对焦电路，但不限于此；微型工控机14可以采用COMMELL公司LP-175型号的产品，但不限于此；线性激光器一17、线性激光器二18、线性激光器三19可以采用MTO-laser公司M-12A648-80-L型号的产品，但不限于此。
本发明的工作过程如下：
(1)船上人员向载体发送三维激光扫描开始指令后，载体5向控制单元2发送开始指令；
(2)控制单元2接受载体5发送的开始指令，微型工控机14控制电源管理模块15向水下成像仪1、水下激光发射单元3输出电压；
(3)待所有器件正常开启后，微型工控机14同步采集载体5的惯导数据与水下成像仪1的图像序列；
(4)微型工控机14从图像序列中提取交叉线阵坐标数据，并基于三角三测距原理计算得到目标物交叉线阵上各点与水下成像仪的相对坐标；微型工控机14再将载体传输而来的惯导数据与上述交叉线阵相对坐标数据相结合，得到目标物表面交叉线阵的空间坐标，并导入存储模块13中；
(5)船上人员向载体发送三维激光扫描停止指令后，载体5向控制单元2发送停止指令；
(6)控制单元2接受载体5发送的停止指令，微型工控机14停止采集载体5的惯导数据与水下成像仪1的图像数据；
(7)待数据采集工作完全停止后，控制单元2控制电源管理模块15停止向水下成像仪1、水下激光发射单元3输出电压。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统，其特征在于，包括：
载体，用于控制本系统在水下空间进行目标物体扫描，并获取系统实时惯导数据；
水下激光发射单元，搭载在所述载体上，所述水下激光发射单元包括多个不同波段的线性激光器，各线性激光器发射的激光线两两交叉，与目标物表面形成多激光波段的交叉线阵；
水下成像仪，搭载在所述载体上，用于采集表面覆盖所述交叉线阵的目标物的图像序列；
控制单元，用于接收所述的惯导数据和所述的图像序列，从所述图像序列中提取交叉线阵坐标数据，再基于三角三测距原理，计算得到目标物交叉线阵上各点与水下成像仪的相对坐标，将所述惯导数据与所述相对坐标相结合，得到目标物表面交叉线阵的空间坐标。
2.根据权利要求1所述的一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统，其特征在于，所述水下成像仪、水下激光发射单元平行安装于支架上，所述支架安装在载体上。
3.根据权利要求1所述的一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统，其特征在于，所述水下成像仪包括成像仪密封舱以及安装在成像仪密封舱内的成像镜头、液晶可调谐滤光片、微光相机、对焦控制电路和集线器；所述成像镜头、液晶可调谐滤光片和微光相机依次布置在同一光轴上；微光相机、液晶可调谐滤光片和对焦控制电路均通过集线器与控制单元，对焦控制电路控制成像镜头进行对焦。
4.根据权利要求3所述的一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统，其特征在于，所述成像镜头采用电动对焦镜头。
5.根据权利要求1所述的一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统，其特征在于，所述控制单元包括控制单元密封舱以及安装在控制单元密封舱内的微型工控机，所述水下成像仪和载体均与微型工控机相连，微型工控机接收所述的图像序列和所述的惯导数据，从所述图像序列中提取交叉线阵坐标数据，基于三角三测距原理，计算得到目标物交叉线阵上各点与水下成像仪的相对坐标，在将所述惯导数据与所述相对坐标数据相结合，得到目标物表面交叉线阵的空间坐标。
6.根据权利要求1所述的一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统，其特征在于，所述控制单元还包括电源管理模块，所述电源管理模块为所述水下成像仪、水下激光发射单元提供电压。
7.根据权利要求1所述的一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统，其特征在于，所述控制单元还包括存储模块，所述存储模块与微型工控机相连，用于存储所述空间坐标。
8.根据权利要求1所述的一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统，其特征在于，所述水下激光发射单元包括水下激光发射单元密封舱以及安装在水下激光发射单元密封舱内的多个不同波段的线性激光器。
9.根据权利要求8所述的一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统，其特征在于，所述线性激光器呈正多边形平行排布；各线性激光器发射的线结构光形成的闭合多边形为正多边形。
10.根据权利要求1所述的一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统，其特征在于，所述载体在水下进行移动并将惯导数据传输至控制单元。
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