CN116594080B - 一种水下目标探测系统及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水下目标探测系统及探测方法，属于水下探测技术领域，该水下目标探测系统包括水密箱体、声学探测器、摄像机、控制模块和数据处理模块；其中，水密箱体开设有第一探测口和第二探测口；声学探测器位于水密箱体内，对应安装于第一探测口，用于采集探测目标的坐标数据；摄像机位于水密箱体内，对应安装于第二探测口，用于采集水下环境的图像数据；控制模块分别与声学探测器和摄像机通信连接，用于控制声学探测器和摄像头采集数据；数据处理模块通信连接于声学探测器和摄像机。本发明通过摄像机和声学探测器的配合，无需搭载额外的定位系统即可实现水下目标的探测，尤其对于水下洞穴等环境，能够有效地提高探测效率和精度。
Description
技术领域
本发明属于水下探测技术领域，尤其涉及一种水下目标探测系统及探测方法。
背景技术
当前国内外水下探测设备大致分为两类：声学设备和光学设备。声学设备一般是多波束探测设备，它通过发射和接收声波来获取水下物体的形状和位置；声学设备需要与定位系统配合使用，定位系统一般是基于GPS的无线电定位系统，提供声学设备的位置和姿态信息。光学设备一般是水下激光探测设备，它通过发射和接收激光来获取水下物体的形状和位置；光学设备也需要与定位系统配合使用，定位系统一般是基于惯性导航的定位系统，提供光学设备的位置和姿态信息。然而，当水下空间受限、环境复杂时，如水下洞穴环境等，GPS信号容易丢失，导致无线电定位系统失效，声学设备无法获得准确的探测结果；另外，水下洞穴环境水体浑浊，含有大量的杂质和微生物，导致激光被吸收或散射，光学设备也无法获得清晰的探测结果。
因此，如何提供一种用于水下洞穴环境探测的水下目标探测系统及探测方法，是当前急需解决的一项技术问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种水下目标探测系统及探测方法，通过摄像机获得的图像数据与声学探测器获得的坐标数据，输出目标探测数据，解决当前水下探测设备依赖定位系统导致探测结果不准确、不清晰的问题。
本发明提供一种水下目标探测系统，包括：
水密箱体，开设有第一探测口和第二探测口；
声学探测器，位于水密箱体内，对应安装于第一探测口，用于采集探测目标的坐标数据；
摄像机，位于水密箱体内，对应安装于第二探测口，用于采集水下环境的图像数据；
控制模块，其分别与声学探测器和摄像机通信连接，用于控制声学探测器和摄像头采集数据；
数据处理模块，其通信连接于声学探测器和摄像机，用于根据摄像机采集的图像数据得到摄像机移动的位姿数据，作为声学探测器移动的位姿数据；将声学探测器移动的位姿数据与声学探测器采集的探测目标的坐标数据融合，输出目标探测数据。
本技术方案提供的水下目标探测系统通过摄像机和声学探测器的配合，无需搭载额外的定位系统即可实现水下目标的探测，尤其对于水下洞穴等定位系统难以稳定运行的环境，本发明的水下目标探测系统能够有效地提高探测效率和精度。
在其中一些实施例中，控制模块控制摄像机先行采集图像数据，当摄像机获取第一张初始图像数据后，控制模块控制声学探测器启动，并控制声学探测器和摄像机同步采集数据。
在其中一些实施例中，数据处理模块按照摄像机采集的图像数据的时间序列对相邻两张图像数据进行对极几何处理，获得摄像机移动的位姿变换矩阵，作为摄像机移动的位姿数据。
在其中一些实施例中，水下目标探测系统还包括通信模块，控制模块通过通信模块通信连接于声学探测器和摄像机，数据处理模块通过通信模块通信连接于声学探测器和摄像机。本技术方案通过通信模块实现声学探测器和摄像机的数据传输和指令控制，提高了水下目标探测系统的集成性和可控性。
在其中一些实施例中，水下目标探测系统还包括用于提供电能供应的电源设备。本技术方案通过电源设备保证水下目标探测系统的稳定运行，避免因电力不足而导致的失效或故障。
除此，本发明还提供了一种水下目标探测方法，采用如上所述的水下目标探测系统进行水下目标的探测，包括以下步骤：
数据采集步骤，启动摄像机采集水下环境的图像数据，摄像机获取第一张初始图像数据后，声学探测器立即启动并与摄像机同步开始采集数据；
数据处理步骤，对采集的图像数据进行处理，得到摄像机移动的位姿数据，作为声学探测器移动的位姿数据；
数据融合步骤，将声学探测器采集的探测目标的坐标数据与声学探测器移动的位姿数据进行融合，输出目标探测数据；
数据拼接步骤，将得到的目标探测数据按时间顺序进行存储，得到最终探测数据。
在其中一些实施例中，数据处理步骤中，按照采集的图像数据的时间序列对相邻两张图像数据进行对极几何处理，生成摄像机移动的位姿变换矩阵E，作为摄像机移动的位姿数据。
在其中一些实施例中，通过对极几何处理获得位姿变换矩阵E的步骤为：对采集图像数据的摄像机进行标定，获得摄像机的内参矩阵K；将图像数据按照时间顺序进行排列，依次对相邻的两个图像数据进行特征点匹配，结合相机内参矩阵K，获得前后两个图像数据的坐标转换关系，计算获得位姿变换矩阵E，前后两个图像数据的坐标转换关系的表达式为：
（1）；
其中，K为摄像机内参矩阵；相邻两个图像数据中，时间在前的图像数据记为第一图像数据，时间在后的图像数据记为第二图像数据，u和v分别为特征点在第一图像数据中的横坐标和纵坐标，u'和v'分别为同一特征点在第二图像数据中的横坐标和纵坐标。
在其中一些实施例中，数据融合步骤中，目标探测数据根据公式（2）计算获得，公式（2）的表达式为：
（2）；
其中，U为目标探测数据，S为声学探测器获得的探测目标的坐标数据。
在其中一些实施例中，水下目标探测方法还包括可视化处理步骤，可视化处理步骤包括：通过3D点云处理软件对最终探测数据进行可视化处理。
基于上述方案，本发明实施例中的一种水下目标探测系统及探测方法能够通过摄像机和声学探测器的配合，无需搭载额外的定位系统即可实现水下目标的探测，尤其对于水下洞穴等定位系统难以稳定运行的环境，本发明的水下目标探测系统能够有效地提高探测效率和精度。
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，构成本申请的一部分，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为本发明水下目标探测系统的内部结构示意图；
图2为本发明水下目标探测系统的结构示意图；
图3为本发明水下目标探测方法的流程图；
图4为对极几何处理的原理示意图。
图中：
1、水密箱体；2、声学探测器；3、摄像机；4、通信模块；
5、数据处理模块；6、控制模块；7、电源设备。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明水下目标探测系统的一个实施例中，如图1-图2所示，该水下目标探测系统包括水密箱体1、声学探测器2、摄像机3、控制模块6和数据处理模块5；其中，水密箱体1开设有第一探测口和第二探测口；声学探测器2位于水密箱体1内，对应安装于第一探测口，用于采集探测目标的坐标数据；摄像机3位于水密箱体1内，对应安装于第二探测口，用于采集水下环境的图像数据；控制模块6分别与声学探测器2和摄像机3通信连接，用于控制声学探测器2和摄像头采集数据；数据处理模块5通信连接于声学探测器2和摄像机3，用于根据摄像机3采集的图像数据得到摄像机3移动的位姿数据，作为声学探测器2移动的位姿数据；将声学探测器2移动的位姿数据与声学探测器2采集的探测目标的坐标数据融合，输出目标探测数据。
在上述示意性实施例中，水下目标探测系统通过摄像机3采集的图像数据得到摄像机3移动的位姿数据，作为声学探测器2移动的位姿数据，再融合声学探测器2采集的探测目标的坐标数据，输出目标探测数据。本发明提供的水下目标探测系统通过摄像机3和声学探测器2的配合，无需搭载额外的定位系统即可实现水下目标的探测，尤其对于水下洞穴等定位系统难以稳定运行的环境，本发明的水下目标探测系统能够有效地提高探测效率和精度。
需要说明的是，控制模块6控制摄像机3先行采集图像数据，当摄像机3获取第一张初始图像数据（如图3所示的图像数据0）后，控制模块6控制声学探测器2启动，并控制声学探测器2和摄像机3同步采集数据。
作为示意性实施例，声学探测器2可以采用多普勒声学设备，摄像机3可以采用工业相机，控制模块6可以采用STM32控制板。需要说明的是，数据处理模块5通信连接于声学探测器2和摄像机3，数据处理模块5可以安装于水密箱体1内，也可以位于水密箱体1外。可以理解的是，当数据处理模块5位于水密箱体1内时，数据处理模块5采用水下计算机进行数据处理；当数据处理模块5位于水密箱体1外时，数据处理模块5采用水上计算机进行数据处理。
还需要说明的是，本系统可以搭载ROV水下机器人进行工作。当水下环境较为昏暗时，摄像机3可以借助ROV水下机器人提供照明，也可以在水密箱体1内设置LED照明设备提供照明。
如图3所示，需要说明的是，数据处理模块5按照摄像机3采集的图像数据的时间序列对相邻两张图像数据进行对极几何处理，获得摄像机3移动的位姿变换矩阵，作为摄像机3移动的位姿数据。需要说明的是，将摄像机3移动的位姿数据可以作为声学探测器2移动的位姿数据，是因为摄像机3和声学探测器2位于同一水密箱体1内，二者一同随水密箱体1移动，因此摄像机3移动的位姿数据和声学探测器2移动的位姿数据相同。
如图1所示，需要说明的是，水下目标探测系统还包括通信模块4，控制模块6通过通信模块4通信连接于声学探测器2和摄像机3，数据处理模块5通过通信模块4通信连接于声学探测器2和摄像机3；通信模块4用于接收声学探测器2采集的坐标数据和摄像机3采集的图像数据，并将声学探测器2采集的坐标数据和摄像机3采集的图像数据传输给数据处理模块5，通信模块4还用于对声学探测器2和摄像机3进行指令控制。通过通信模块4实现声学探测器2和摄像机3的数据传输和指令控制，提高了水下目标探测系统的集成性和可控性。作为示意性实施例，通信模块4可以采用STM32控制板和网络交换机；通信模块4对于声学探测器2和摄像机3的指令控制包括但不限于控制声学探测器2和摄像机3开始采集数据或结束采集数据。
如图1所示，还需要说明的是，水下目标探测系统还包括用于提供电能供应的电源设备7。需要说明的是，电源设备7分别与声学探测器2、摄像机3和控制模块6电性连接，当数据处理模块5位于水密箱体1内时，电源设备7与数据处理模块5电性连接。通过电源设备7的设置，保证水下目标探测系统的稳定运行，避免因电力不足而导致的失效或故障。作为示意性实施例，电源设备7可以采用外接电源和220V转48V的电源转换模块。
如图3所示，基于上述的水下目标探测系统，本发明还提供一种水下目标探测方法，该水下目标探测方法采用上述的水下目标探测系统进行水下目标的探测，包括以下步骤：
数据采集步骤，启动摄像机3采集水下环境的图像数据，摄像机获取第一张初始图像数据后，声学探测器2立即启动并开始采集探测目标的坐标数据；本步骤中，控制模块6控制摄像机3先行启动采集图像数据0，随后控制模块6控制声学探测器2立即启动并与摄像机3同步开始采集数据。需要说明的是，声学探测器2获取探测目标的坐标数据为探测目标的绝对三维坐标。
数据处理步骤，对采集的图像数据进行处理，得到摄像机3移动的位姿数据，作为声学探测器2移动的位姿数据；本步骤中，对摄像机3采集的图像数据进行处理，得到摄像机3移动的位姿数据，因为摄像机3和声学探测器2位于同一水密箱体1内，摄像机3移动的位姿数据可以作为声学探测器2移动的位姿数据。
数据融合步骤，将声学探测器2采集的探测目标的坐标数据与声学探测器2移动的位姿数据进行融合，输出目标探测数据；
数据拼接步骤，将得到的目标探测数据按时间顺序进行存储，得到最终探测数据；
如图3所示，数据处理步骤中，需要说明的是，按照采集的图像数据的时间序列对相邻两张图像数据进行对极几何处理，生成摄像机3移动的位姿变换矩阵E，作为摄像机3移动的位姿数据。
如图3所示，还需要说明的是，通过对极几何处理获得位姿变换矩阵E的步骤为：对采集图像数据的摄像机3进行标定，获得摄像机3的内参矩阵K；将图像数据按照时间顺序进行排列，依次对相邻的两个图像数据进行特征点匹配，结合相机内参矩阵K，获得前后两个图像数据的坐标转换关系，计算获得位姿变换矩阵E，前后两个图像数据的坐标转换关系的表达式为：
（1）；
其中，K为摄像机3内参矩阵；相邻两个图像数据中，时间在前的图像数据记为第一图像数据，时间在后的图像数据记为第二图像数据，u和v分别为特征点在第一图像数据中的横坐标和纵坐标，u'和v'分别为同一特征点在第二图像数据中的横坐标和纵坐标。
需要说明的是，如图4所示，通过对极几何处理获得前后两个图像数据的坐标转换关系的原理为：摄像机3在o点拍摄P点在成像平面形成对应的像素点p,此时我们可以知道P点在op射线上，但无法确定P点的具体位置；相机移动至o'点再次拍摄P点生成新的像素点p'，如果图像通过特征点匹配确定p和p'为同一个点的特征点，那么P的位置就可以确定。p点和p′点必然存在如下关系：（3）；其中，(x,y,z)为p点在o-xyz坐标系下的坐标；(x′,y′,z′)为p′点在o′-x′y′z′坐标系下的坐标; [t]为平移矩阵；R为旋转矩阵；需要说明的是，一个坐标系中的点要变换到另一个坐标系中，其必须经过平移和旋转两个矩阵变换操作，前述的位姿变换矩阵E为[t]*R的简写，即E=[t]*R。再结合摄像机内参矩阵K可以得到关系式：/>（4），/>（5）；由关系式（3）、（4）、（5）可以得到前述的关系式（1）。
如图3所示，还需要说明的是，数据融合步骤中，目标探测数据根据公式（2）计算获得，公式（2）的表达式为：
（2）；
其中，U为目标探测数据，S为声学探测器2获得的探测目标的坐标数据。
此外，如图3所示，还需要说明的是，水下目标探测方法还包括可视化处理步骤，通过3D点云处理软件对最终探测数据进行可视化处理；本步骤中，作为示意性实施例，3D点云处理软件可以采用CloudCompare。
应用上述各个实施例中的水下目标探测系统通过摄像机3和声学探测器2的配合，无需搭载额外的定位系统即可实现水下目标的探测，尤其对于水下洞穴等定位系统难以稳定运行的环境，本发明的水下目标探测系统能够有效地提高探测效率和精度。上述各个实施例中水下目标探测系统所具有的其他积极技术效果同样适用于水下目标探测方法，在这里不再赘述。
通过对本发明水下目标探测系统及探测方法的多个实施例的说明，可以看到本发明水下目标探测系统及探测方法实施例至少具有以下一种或多种优点：
1、本发明提供的水下目标探测系统通过声学探测器2和摄像机3的配合，无需搭载额外的定位系统，降低了水下目标探测系统的复杂度和成本；
2、本发明提供的水下目标探测方法能够适用于多种水下环境，尤其对于空间受限、环境复杂的水下洞穴环境，能够在不搭载额外的定位系统的情况下稳定运行；
3、本发明提供的水下目标探测方法通过数据处理步骤的对极几何处理，提高了水下目标探测系统的定位精度和稳定性。
最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (5)
1.一种水下目标探测方法，其特征在于，采用水下目标探测系统进行水下目标的探测，水下目标探测系统包括：
水密箱体，开设有第一探测口和第二探测口；
声学探测器，位于水密箱体内，对应安装于第一探测口，用于采集探测目标的坐标数据；
摄像机，位于水密箱体内，对应安装于第二探测口，用于采集水下环境的图像数据；
控制模块，其分别与声学探测器和摄像机通信连接，用于控制声学探测器和摄像头采集数据；
数据处理模块，其通信连接于声学探测器和摄像机，用于根据摄像机采集的图像数据的时间序列对相邻两张图像数据进行对极几何处理，得到摄像机移动的位姿变换矩阵，作为声学探测器移动的位姿数据；将声学探测器移动的位姿数据与声学探测器采集的探测目标的坐标数据融合，输出目标探测数据；
水下目标探测方法包括以下步骤：
数据采集步骤，启动摄像机采集水下环境的图像数据，摄像机获取第一张初始图像数据后，声学探测器立即启动并与摄像机同步开始采集数据；
数据处理步骤，对采集的图像数据进行处理，得到摄像机移动的位姿数据，作为声学探测器移动的位姿数据；数据处理步骤具体包括以下步骤：按照采集的图像数据的时间序列对相邻两张图像数据进行对极几何处理，生成摄像机移动的位姿变换矩阵E，作为摄像机移动的位姿数据；其中，通过对极几何处理获得位姿变换矩阵E的步骤为：对采集图像数据的摄像机进行标定，获得摄像机的内参矩阵K；将图像数据按照时间顺序进行排列，依次对相邻的两个图像数据进行特征点匹配，结合摄像机内参矩阵K，获得前后两个图像数据的坐标转换关系，计算获得位姿变换矩阵E，前后两个图像数据的坐标转换关系的表达式为：
（1）；
其中，K为摄像机内参矩阵；相邻两个图像数据中，时间在前的图像数据记为第一图像数据，时间在后的图像数据记为第二图像数据，u和v分别为特征点在第一图像数据中的横坐标和纵坐标，u'和v'分别为同一特征点在第二图像数据中的横坐标和纵坐标；
数据融合步骤，将声学探测器采集的探测目标的坐标数据与声学探测器移动的位姿数据进行融合，输出目标探测数据；目标探测数据根据公式（2）计算获得，公式（2）的表达式为：
（2）；
其中，U为目标探测数据，S为声学探测器获得的探测目标的坐标数据；
数据拼接步骤，将得到的目标探测数据按时间顺序进行存储，得到最终探测数据。
2.根据权利要求1所述的水下目标探测方法，其特征在于，控制模块控制摄像机先行采集图像数据，当摄像机获取第一张初始图像数据后，控制模块控制声学探测器启动，并控制声学探测器和摄像机同步采集数据。
3.根据权利要求1所述的水下目标探测方法，其特征在于，水下目标探测系统还包括通信模块，控制模块通过通信模块通信连接于声学探测器和摄像机，数据处理模块通过通信模块通信连接于声学探测器和摄像机。
4.根据权利要求1或3所述的水下目标探测方法，其特征在于，水下目标探测系统还包括用于提供电能供应的电源设备。
5.根据权利要求1所述的水下目标探测方法，其特征在于，水下目标探测方法还包括可视化处理步骤，可视化处理步骤包括：通过3D点云处理软件对最终探测数据进行可视化处理。
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