CN113596298A - 一种水下激光同步场扫描成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下激光同步场扫描成像装置及方法，涉及成像设备技术领域，装置包括通过同步电缆相连的成像单元和光源，所述成像单元包括图像传感器和同步信号产生单元，所述光源为激光同步场扫描光源，包括半导体激光器和一维扫描振镜，所述半导体激光器为线状激光器，所述半导体激光器输出线状激光，所述线状激光经所述一维扫描振镜反射至成像单元视场中，所述一维扫描振镜进行一维摆动，扫描整个成像单元视场范围，实现整个成像单元视场的同步扫描照明。本发明使用振镜作为同步光源的扫描器件，相比于线状激光器阵列、空间光调制器和匀速旋转反光镜的实现方式，具有光学结构简单、扫描速度快、扫描角度可控，能量利用率高等优点。

Description

一种水下激光同步场扫描成像装置及方法

技术领域

本发明涉及成像设备技术领域，尤其涉及一种水下激光同步场扫描成像装置及方法。

背景技术

由于水分子的自身特性以及自然水体中的存在大量的杂质，水下图像的清晰度受散射光影响巨大。由于水分子和杂质的吸收，光在水中衰减速度快，为了获得适当亮度的数字图像，水下成像系统中往往包含照明光源。但由于光源和成像单元通常被设计在水下目标的同侧，此时对目标物的观察受到水体后向散射的强烈影响，获得的图像会产生局部过曝光而景物欠曝光的情况，所以难以获得水下目标物清晰的图像。

目前从光学角度缓解成像过程中水体后向散射主要有三个技术路径，分别是激光距离选通法、偏振法和空间分辨法。激光距离选通法使用大功率窄脉冲激光器作为光源，使用增强型电荷耦合器件(ICCD)作为图像传感器，在发出激光脉冲一定时间间隔后，只接收激光脉冲的反射光，从而达到消除后向散射的目的。激光距离选通成像系统作用距离远，后向散射消除效果好，但是系统体积较大，不利于小型化，ICCD输出图像信噪比低，图像噪声大，并且大功率激光器和ICCD成本高昂，这些缺点限制了该方法的广泛应用。偏振成像方法是在光源端加装起偏器，使光源发出偏振光，在成像单元窗口加装检偏器，通过检偏器的转动获得两张偏振态相互正交的图像，通过适当的算法，则可以减小后向散射对图像质量的影响。但是为了获得两幅偏振态正交的图像，需要成像单元端加装机械转动装置，影响了该方法应用的实时性。空间分辨法减小后向散射的思想是减小光源与成像单元光路的重叠，后向散射对成像的影响程度与光路重合体积正相关。

已公开专利使用MEMS微振镜控制一束激光，同步照射高灵敏度sCMOS相机卷帘快门曝光过程中形成的条带状瞬时视场，从而大幅压缩了光源和相机光路的重合体积，降低了后向散射的影响。但是，该方法要求MEMS微振镜具备二维扫描功能，并且振镜的水平扫描频率要尽量的高，否则激光光束开角需要增大，相机曝光时间要增加，这降低了后向散射的去除效果。另外，MEMS微振镜扫描频率升高的代价是反射镜尺寸的减小，当激光器能量提升，光斑聚焦到直径1毫米左右的反射镜上，将会使反射镜背面的线圈融化，从而烧毁反射镜，这限制了光源功率的提升，因此其探测距离大大受限。综上所述，有待发明一种小型化的，图像噪声小的，具有实时性的，能提高水下光学探测距离的，能够减小水下成像中后向散射影响的水下图像获取方法。

发明内容

本发明提供一种水下激光同步场扫描成像装置及方法，解决了现有技术水下成像中后向散射影响较大的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种水下激光同步场扫描成像装置，包括：通过同步电缆相连的成像单元和光源，所述成像单元包括图像传感器、镜头和同步信号产生单元，所述图像传感器包括曝光区域，整套装置放置在被拍摄目标的同侧；

所述光源为激光同步场扫描光源，包括半导体激光器和一维扫描振镜，所述半导体激光器为线状激光器，所述半导体激光器输出线状激光，且照射位置为所述一维扫描振镜内反射镜的中心，所述线状激光经所述一维扫描振镜反射至成像单元视场中，所述一维扫描振镜振镜进行一维摆动，扫描整个成像单元视场范围，实现整个成像单元视场的扫描照明。

优选地，所述成像单元为具备同步信号输出功能和卷帘快门曝光功能的科学级互补型金属氧化物半导体图像传感器的照相机或摄像机。

优选地，所述一维扫描振镜为基于微机电技术的半导体微振镜，或是由摆动电机和反射镜组成的扫描振镜，所述一维扫描振镜在驱动信号的控制下进行一维的可控摆动。

优选地，所述图像传感器具备卷帘式电子快门，曝光时视场为条带状，且条带状视场随曝光时间减小而变窄。

优选地，所述同步信号产生单元将同步信号输出至所述激光同步场扫描光源，所述激光同步场扫描光源根据所述同步信号，输出线状激光照射至成像单元卷帘快门曝光过程中形成的条带状视场，所述线状激光照射区域随所述成像单元条带状曝光区域同步运动，运动过程中所述线状激光照射区域与所述成像单元条带状曝光区域在目标平面上重合。

一种水下激光同步场扫描成像方法，基于上述任意一项所述的装置实现，包括以下步骤：

所述成像单元根据设定的曝光时间开启拍照过程，所述同步信号产生单元发送场有效信号和行扫描信号至所述激光同步场扫描光源；

所述激光同步场扫描光源接收发送自所述成像单元的场有效信号，开启所述半导体激光器，并根据所述行扫描信号控制所述一维扫描振镜从初始位置转动，同步照射所述成像单元的条带状视场；

所述成像单元在所述激光同步场扫描光源的照明下输出图像，直至图像输出完成，并发送场消隐信号至所述激光同步场扫描光源；

所述激光同步场扫描光源接收发送自所述成像单元的场消隐信号，关闭所述半导体激光器，并控制所述一维扫描振镜回到初始位置，至此完成一次成像过程，循环上述步骤直至完成所有的成像过程。

本发明的有益效果在于：

1、本发明使用振镜作为同步光源的扫描器件，相比于线状激光器阵列、空间光调制器和匀速旋转反光镜的实现方式，具有光学结构简单、扫描速度快、扫描角度可控，能量利用率高等优点。

2、本发明使用一维振镜进行目标平面场扫描，对振镜摆动频率要求降低，相比于激光点扫描，可以使用更大的反射镜和更高功率的激光器，提高了水下光学探测距离；

3、本发明使用线状激光器，相比于点状激光器，降低了激光光斑的能量密度，降低了振镜烧毁的风险，使激光功率可以进一步提高，提高了水下探测的距离；

4、本发明不需要额外增加校正透镜即可实现目标平面的均匀扫描，光路设计大大简化，并且去后向散射性能理论上与使用激光点扫描相同；

5、本发明的扫描激光光路和相机曝光瞬时视场极窄，光路重合体积受成像单元与光源放置距离影响小，没有最小1/2目标距离限制，因此光源与成像单元可以靠近放置，成像系统结构更加紧凑，因此可应用在水下机器人以及潜水员装备领域。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明成像装置及方法的示意图。

图2为本发明同步信号与振镜摆动角度时序关系图。

图3为本发明激光同步扫描光源与成像单元横向放置的俯视图。

图4为本发明激光同步扫描光源与成像单元纵向放置的侧视图。

附图标号说明：

1、同步电缆；2、成像单元；3、图像传感器；4、同步信号产生单元；5、激光同步场扫描光源；6、半导体激光器；7、一维扫描振镜；8、线状激光；9、目标平面；10、镜头；11、曝光区域。

具体实施方式

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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明提供一种技术方案：一种水下激光同步场扫描成像装置及方法，装置包括通过同步电缆1相连的成像单元2和光源，成像单元2包括图像传感器3、相机的镜头10和同步信号产生单元4，成像单元2为具备同步信号输出功能和卷帘快门曝光功能的科学级互补型金属氧化物半导体图像传感器即sCMOS图像传感器的照相机或摄像机。图像传感器3包括曝光区域11，图像传感器3具备卷帘式电子快门，曝光时视场为条带状，且条带状视场随曝光时间减小而变窄。整套装置放置在被拍摄目标的同侧；成像单元的条带状视场扫描过整个目标区域，则完成相机的一次曝光。同步单元在相机曝光的过程中，输出同步信号，该同步信号由sCMOS图像传感器的行扫描和场扫描信号构成。

光源为激光同步场扫描光源5，包括半导体激光器6和一维扫描振镜7，一维扫描振镜7为基于微机电技术即MEMS的半导体微振镜，或是由摆动电机和反射镜组成的扫描振镜即GALVO振镜，一维扫描振镜7在驱动信号的控制下进行一维的可控摆动。半导体激光器6为线状激光器，半导体激光器6输出线状激光8，且照射位置为一维扫描振镜7内反射镜的中心，线状激光8经一维扫描振镜7反射至成像单元视场中，一维扫描振镜振镜7进行一维摆动，扫描整个成像单元视场范围，实现整个成像单元视场的扫描照明。

同步信号产生单元4将同步信号输出至激光同步场扫描光源5，激光同步场扫描光源5根据同步信号，输出线状激光8照射至成像单元2卷帘快门曝光过程中形成的条带状视场，线状激光8照射区域随成像单元2条带状曝光区域同步运动，运动过程中线状激光8照射区域与成像单元2条带状曝光区域在目标平面9上重合。

一种水下激光同步场扫描成像方法，包括以下步骤：

成像单元2根据设定的曝光时间开启拍照过程，同步信号产生单元4发送场有效信号和行扫描信号至激光同步场扫描光源5；

激光同步场扫描光源5接收发送自成像单元2的场有效信号，开启半导体激光器6，并根据行扫描信号控制一维扫描振镜7从初始位置转动，同步照射成像单元2的条带状视场；

成像单元2在激光同步场扫描光源5的照明下输出图像，直至图像输出完成，并发送场消隐信号至激光同步场扫描光源5；

激光同步场扫描光源5接收发送自成像单元2的场消隐信号，关闭半导体激光器6，并控制一维扫描振镜7回到初始位置，至此完成一次成像过程，循环上述步骤直至完成所有的成像过程。

如图1和图2所示，本发明包含成像单元2和激光同步场扫描光源5，二者通过同步电缆1相连。成像单元2放置在激光同步场扫描光源5的正下方，但这不是唯一的放置方式。成像单元2中与本发明相关的部件为sCMOS图像传感器3和同步信号产生单元4。当成像单元2开始曝光，sCMOS图像传感器3的曝光区域11通过相机镜头10在目标平面9上形成条带状的瞬时视场。当传感器上的曝光区域11沿传感器纵方向自下而上运动，则对应目标平面9上的瞬时视场延纵方向自上而下运动。在曝光的过程中，同步信号产生单元4会向激光同步扫描光源5发送场扫描信号和行扫描信号。当成像单元2开始曝光，同步信号产生单元4向激光同步扫描光源5发送场有效信号，半导体激光器6接收到场有效信号，则发出线状激光8经过一维扫描振镜7反射后前向照射到成像目标平面9上，形成一条线状激光光斑，并与sCMOS图像传感器3的瞬时曝光视场重合。随着传感器曝光区域11沿纵方向自下而上运动，同步信号产生单元4将图像传感器3内部重置寄存器的行扫描信号缓冲后通过同步电缆1转发至激光同步扫描光源5，用于控制一维扫描振镜7中反射镜角度逐渐增加，使线状激光光斑与相机曝光瞬时视场同向运动，并保持重合，直至一次曝光结束。当曝光结束，同步信号产生模块4发送场消隐信号，激光同步扫描光源5接收到该信号后，半导体激光器6停止输出激光，一维扫描振镜7转回到初始位置。如果场有效信号和场消隐信号的关系满足主流视频格式如ITU-R规定的BT.1120视频规范的要求，则该方法则可以应用在摄像领域。

激光同步扫描光源5相对于成像单元2的最佳放置位置应该是正上方或者正下方，以激光同步场扫描光源5顶置和侧置分别为例，图3为激光同步扫描光源5与成像单元2横向放置的俯视图，图中激光同步扫描光源5光轴和成像单元2光轴在同一水平面上，图中标出的激光同步扫描光源5光路是一次水平扫描所覆盖的范围，该范围与成像单元2曝光区域11重合，并且重合度大，无法达到减小后向散射的目的，因此该种放置方式无法应用在直接照明的情况下，只能在间接照明中使用。图4为激光同步扫描光源5与成像单元2纵向放置的侧视图，激光同步扫描光源5的激光光路与成像单元2曝光光路重合度非常的小，可以极大程度上减小后向散射对输出数字图像的影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水下激光同步场扫描成像装置，其特征在于，包括：通过同步电缆(1)相连的成像单元(2)和光源，所述成像单元(2)包括图像传感器(3)、镜头(10)和同步信号产生单元(4)，所述图像传感器(3)包括曝光区域(11)，整套装置放置在被拍摄目标的同侧；

所述光源为激光同步场扫描光源(5)，包括半导体激光器(6)和一维扫描振镜(7)，所述半导体激光器(6)为线状激光器，所述半导体激光器(6)输出线状激光(8)，且照射位置为所述一维扫描振镜(7)内反射镜的中心，所述线状激光(8)经所述一维扫描振镜(7)反射至成像单元视场中，所述一维扫描振镜(7)进行一维摆动，扫描整个成像单元视场范围，实现整个成像单元视场的扫描照明。

2.根据权利要求1所述的水下激光同步场扫描成像装置，其特征在于：所述成像单元(2)为具备同步信号输出功能和卷帘快门曝光功能的科学级互补型金属氧化物半导体图像传感器的照相机或摄像机。

3.根据权利要求1所述的水下激光同步场扫描成像装置，其特征在于：所述一维扫描振镜(7)为基于微机电技术的半导体微振镜，或是由摆动电机和反射镜组成的扫描振镜，所述一维扫描振镜(7)在驱动信号的控制下进行一维的可控摆动。

4.根据权利要求2所述的水下激光同步场扫描成像装置，其特征在于：所述图像传感器(3)具备卷帘式电子快门，曝光时视场为条带状，且条带状视场随曝光时间减小而变窄。

5.根据权利要求2所述的水下激光同步场扫描成像装置，其特征在于：所述同步信号产生单元(4)将同步信号输出至所述激光同步场扫描光源(5)，所述激光同步场扫描光源(5)根据所述同步信号，输出线状激光(8)照射至成像单元(2)卷帘快门曝光过程中形成的条带状视场，所述线状激光(8)照射区域随所述成像单元(2)条带状曝光区域同步运动，运动过程中所述线状激光(8)照射区域与所述成像单元(2)条带状曝光区域在目标平面(9)上重合。

6.一种水下激光同步场扫描成像方法，基于权利要求1-5中任意一项所述的装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

所述成像单元(2)根据设定的曝光时间开启拍照过程，所述同步信号产生单元(4)发送场有效信号和行扫描信号至所述激光同步场扫描光源(5)；

所述激光同步场扫描光源(5)接收发送自所述成像单元(2)的场有效信号，开启所述半导体激光器(6)，并根据所述行扫描信号控制所述一维扫描振镜(7)从初始位置转动，同步照射所述成像单元(2)的条带状视场；

所述成像单元(2)在所述激光同步场扫描光源(5)的照明下输出图像，直至图像输出完成，并发送场消隐信号至所述激光同步场扫描光源(5)；

所述激光同步场扫描光源(5)接收发送自所述成像单元(2)的场消隐信号，关闭所述半导体激光器(6)，并控制所述一维扫描振镜(7)回到初始位置，至此完成一次成像过程，循环上述步骤直至完成所有的成像过程。

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