CN204405869U - 非均匀大光场目标图像探测装置 - Google Patents

Abstract

非均匀大光场目标图像探测装置，包括上位机、图像采集装置和两组非均匀照明阵列；图像采集装置包括安装有摄像机的架杆，非均匀照明阵列包括安装有光源的架杆；光源包括装有金卤光源的壳体，壳体前端安装有透镜与光学窗。本实用新型可达到在空间15m的距离处实现3m×4m的大范围非均匀光场照明，克服了单一集束光源观测范围小、近距离存在盲区的缺点，提升景深观测范围的同时，也将工作距离延伸至1.9倍能见度的长度。

Description

非均匀大光场目标图像探测装置

技术领域

本实用新型涉及一种水下大范围的非均匀大光场目标图像探测装置，属于水下视觉技术领域。

背景技术

光在水中传播，接收器接收的光信息主要由3部分组成：从目标反射回来并经水介质光在水中传播，接收器接收的光信息主要由3部分组成：从目标反射回来并经水介质吸收、散射损耗后的成像光束；光源与目标之间水介质散射的影响图像对比度的后向散射光；目标与接收器之间水介质散射较小角度并直接影响目标细节分辨率的前向散射光。与大气成像技术相比，水下成像技术的研究重点就是减小水介质所具有的强散射效应和快速吸收功率衰减特性对水下通信、成像、目标探测所造成的影响。

目前主要有同步扫描成像、距离选通成像、光偏振技术成像、激光三维成像、结构光技术成像、多视角三维成像等水下视觉成像技术，尤其是在比较浑浊的水质条件下，使用普通的水下照明成像技术，后向散射噪声对图像品质的影响尤为剧烈，目前相对先进的一种方法是采用非均匀光设备对目标区域进行照射，即对近距离目标用弱光场照明,以尽可能减小后向散射噪音的影响；远距离目标用强光场照明,来提高目标信号的强度,同时较强的后向散射光经过长距离的传输到达接收器时也会降低。

由于吸收和散射的影响光信号在水下的传播会极大的衰减。同时在近距离范围内，由于照明光强较大产生的后向散射噪声相应的也会较大；而在远距离范围照明光强由于水的吸收和散射会衰减至较小值即信号光较小同时产生的后向散射噪声也会较小。这样就造成了在接收器直线上(LOS)信噪比(SNR)衰减严重，在两倍能见度探测距离条件下，接收器接收到的光能量将衰减达10⁷倍，严重影响了探测距离，和图像质量。

如图5所示：在空间坐标系原点O的位置放置摄像机，令探测平面垂直于Z轴的平面XCY，(图中显示了XOY，X1C1Y1，X2C2Y2三个被测面)，Z是目标C距摄像机的距离。假设位于较近位置的被测物C₁的坐标是(0,0,Z₁)，位于较远位置的被测物C₂的坐标(0,0,Z₂)，Z1与O之间的距离为1倍能见度，Z2与O之间的距离为2倍能见度，由比尔朗伯特定律知，Z2与O之间的光衰减可达10⁷倍，如果将C₁的照明能量E₁设置为比C₂的照明能量E₂低103.5倍，则可实现照明能量依据水的衰减系数沿Z轴按反比指数增长分布。

依据上述方法建立的照明光场，有别于传统的均匀光场，其在距离光源等距离的截面上各点的光强是不相等的，因此称之为非均匀光场。在非均匀光场中，近距离被测物所处的照明光场强度较低，所产生的反向散射噪声也较小，而远距离目标虽然被强光照明，但由于距离接收器的光程较长，反向散射光受到水中悬浮颗粒的散射衰减，则到达接收器时变得较弱，因此非均匀光场目标探测方法对于反向散射光具有良好的整体抑制效果，且克服了激光探测方法存在的景深小的问题。

但是现有的基于非均匀光场构建技术的方法设备(非均匀照明探测目标图像的方法及装置-200610042355.2)由于光源工艺和设备体积的限制，只能实现小范围、低光轴距、照明模式单一的目标物照明。因此其适用范围有一定的限制。

发明内容

本实用新型目的是提供一种非均匀大光场目标图像探测装置及方法，针对空间介质浑浊、模糊的条件，构建一种高效克服介质后向散射噪声的非均匀照明的，实现大光场范围、多照明模式、高能见度距离的目标清晰图像获取系统。

非均匀大光场目标图像探测装置，包括上位机，其特征在于还包括一组图像采集装置和两组非均匀照明阵列，且两组非均匀照明阵列位于图像采集装置两侧；

所述的图像采集装置，包括由CCD架座、设置在CCD架座上的CCD架杆、以及设置在CCD架杆上的上、中、下三个CCD安装座组成的安装架，且中间CCD安装座安装高速摄像机，另外两个CCD安装座23分别安装水下双目CCD摄像机；

所述的三个摄像机都采用了三自由度底座固定，便于调整入射图像角度；

所述的每组非均匀照明阵列包括由光源阵列架座、设置在光源阵列架座上的集束光源阵列架杆、以及设置在集束光源阵列架杆上的五个支撑杆组成的光源安装架，和4个200w以上的大功率非均匀集束光源与一个至少150w的中等功率的非均匀集束光源；其中，所述中等功率的非均匀集束光源安装在最低端的支撑杆上且位于集束光源阵列架杆的内侧；

每个非均匀集束光源的底座为三自由度光源底座，可以选择任意的投射方向，方便大范围非均匀光场的的搭建；

所述的非均匀集束光源，包括中空圆柱形壳体，为铝合金耐压密封舱体，壳体后端设有后端盖，后端盖上安装水密电缆接头，用于接入220v交流电压；壳体内安装有金卤光源，光源固定在壳体内的可推拉式光源底座上，且通过此光源底座在壳体内前后移动可以前后调整光源发光球体的焦距位置；壳体位于光源前方的位置还安装有调节环，所述壳体的前端安装有透镜，所述透镜前方有光学窗安装在壳体的前端部，所述金卤光源功率为150W以上；当非均匀集束光源的透镜为双凸透镜且金卤光源为200w以上时作为大功率非均匀集束光源，当非均匀集束光源的透镜为菲涅尔透镜且金卤光源为至少150w时作为中等功率的非均匀集束光源；使用时，两组非均匀照明阵列需位于图像采集装置两侧。

上述菲涅尔透镜直径为11cm以上；菲涅尔透镜与150W至200W之间的金卤光源相配合实现适合近距离范围内的散射，构成中等功率的非均匀集束光源；双凸透镜与200W以上大功率的金卤光源相配合实现远距离的高光场能量的集束投送，构成大功率的非均匀集束光源。

依据上述方法建立的照明光场，有别于传统的非均匀光场，通过采用不同种类集束光源阵列的形式，达到在空间15m的距离处实现3m*4m的大范围非均匀光场照明，克服了单一集束光源观测范围小、近距离存在盲区的缺点，提升景深观测范围的同时，也将工作距离延伸至1.9倍能见度的长度。

本实用新型构建空间大光场，宽探测范围。可实现距离光源15m处形成3m*4m的宽广非均匀照明区域。根据目标物的距离、光线吸收特性进行选择性的照明模式切换。此套设备的光源实则为两组非均匀发光阵列，每组发光阵列又可分成近目标距离集束照明束和远距离集束照明束。可根据目标物的距离、反射特性等进行选择性照明，避免图像采集CCD进入光饱和态，导致画面的过曝光。实现了高能见度距离目标图像获取，由于采用了选择性目标照射非均匀光场的集束发光阵列布放方式和高灵敏度CCD，此套系统可实现高达1.9倍能见度距离的目标图像获取。能够多视角、高速目标图像捕获、存储，本系统同时配备了双目CCD、高速摄像机、上位机主控平台，具有远距离、多视角的设备控制与图像的采集、存储、回放功能。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构图。

图2是本实用新型的图像采集装置结构图。

图3是本实用新型的非均匀照明阵列结构图。

图4是本实用新型的集束光源结构图。

图5是本实用新型的非均匀光场照明原理图。

其中，1、水密电缆接头，2、后端盖，3、螺栓，4、螺栓孔，5、垫圈，6、光源座，7、调节环，8、中空圆柱形壳体，9、透镜(菲涅尔透镜或双凸透镜)，10、透镜固定环，11、后垫圈，12、光学窗，13、前垫圈，14、螺纹卡环，15、金卤光源，16、光源阵列架座，17、集束光源阵列架杆，18、支撑杆，19、三自由度光源底座，20、非均匀集束光源，21、CCD架座，22、CCD架杆，23、三自由度水下CCD座，24、水下双目CCD摄像机，25、三自由度底座，26、高速摄像机，27、非均匀照明阵列，28、图像探测装置，29、照明目标物，30、上位机。

具体实施方式

如图1-4所示，非均匀大光场目标图像探测装置，包括上位机30，其特征在于还包括一组图像采集装置28和两组非均匀照明阵列27，且两组非均匀照明阵列27位于图像采集装置28两侧；

所述的图像采集装置28，包括由CCD架座21、设置在CCD架座21上的CCD架杆22、以及设置在CCD架杆22上的上、中、下三个CCD安装座23组成的安装架，且中间CCD安装座23安装高速摄像机26，另外两个CCD安装座23分别安装水下双目CCD摄像机24；

所述的三个摄像机都采用了三自由度底座25固定，便于调整入射图像角度；

所述的每组非均匀照明阵列27包括由光源阵列架座16、设置在光源阵列架座16上的集束光源阵列架杆17、以及设置在集束光源阵列架杆17上的五个支撑杆18组成的光源安装架，和4个200w以上的大功率非均匀集束光源20与一个至少150w的中等功率的非均匀集束光源20；其中，所述中等功率的非均匀集束光源安装在最低端的支撑杆18上且位于集束光源阵列架杆17的内侧；

每个非均匀集束光源的底座为三自由度光源底座19，可以选择任意的投射方向，方便大范围非均匀光场的的搭建；

所述的非均匀集束光源20，包括中空圆柱形壳体8，为铝合金耐压密封舱体，壳体8后端设有后端盖2—通过螺栓3与螺栓孔4与壳体8连接，且连接处设有垫圈5，后端盖2上安装水密电缆接头1，用于接入220v交流电压；壳体8内安装有金卤光源15，光源15固定在壳体8内的可推拉式光源底座6上，且通过此光源底座6在壳体8内前后移动可以前后调整光源15发光球体的焦距位置；壳体8位于光源15前方的位置还安装有调节环7，所述壳体8的前端安装有透镜9，所述透镜9前方有光学窗12安装在壳体8的前端部，所述金卤光源15功率为150W以上；当所述透镜9为双凸透镜9且金卤光源15为200w以上时的非均匀集束光源20作为大功率非均匀集束光源，当所述透镜9为菲涅尔透镜且金卤光源15为至少150w时的非均匀集束光源20作为中等功率的非均匀集束光源。其中透镜通过透镜固定环10进行固定，光学窗12通过前垫圈13与后垫圈11夹紧，并通过螺纹卡环14紧固。

上述菲涅尔透镜9直径为11cm以上；菲涅尔透镜与150W至200W之间的金卤光源15相配合实现适合近距离范围内的散射，构成中等功率的非均匀集束光源；双凸透镜与200W以上大功率的金卤光源15相配合实现远距离的高光场能量的集束投送，构成大功率的非均匀集束光源。

其中“非均匀照明阵列”是整个大范围非均匀光场构建的核心器件，阵列一共分成两组，根据水体散射参数和照明目标30物的反射系数等信息布放在与CCD距离为S的位置，每组照明阵列分别由4个200w大功率集束光源和一个150w的中等功率的集束光源构成。如图3所示，5个非均匀集束光源(图4)采用高强度钢材架固定在一起，其中将中等功率的集束光源安装在最低端的固定底座上，每个集束光源的底座采用3自由度的转轴设计，可以选择任意的投射方向，方便大范围非均匀光场的的搭建。

“高速、双目CCD”本装置的图像采集装置采用高速、双目CCD，对于国内现有的单目视觉观测方式，此系统的双目观测设备可以实现接近2π宽视角观测，必要时可以升级成双目立体成像设备。同时光测设备也才有了一枚高速CCD，可以实现空间的高速运动目标的图像捕获。

通过接头1接入220v交流电压；通过可推拉式光源底座6可以前后调整光源发光球体在整个系统中的焦距位置；壳体8为铝合金耐压密封舱体；光学窗12是光源熔融石英耐压视窗。

本实用新型非均匀光场的分布形式如图5所示，在这种非均匀光场中，接收器接收到远处目标C₂与近处目标C₁的光能量是相等的。

如图5，把空间坐标原点O设在探测器上，设垂直于Z轴的各个XCY平面为探测平面，Z为目标C离原点的距离。若我们再把光源的高能量密度区照明远距离目标C₂，C₂的坐标为(0,0,Z₂)，若目标C₁与C₂的距离差为2倍能见度，由光在水中的衰减规律可知，2倍能见距离光衰减约e⁶-e⁷倍，因此把E₁(X,Y,Z)设置为比E₂(X,Y,Z)低e⁶-e⁷倍，沿z轴同样按所在介质光衰减规律分布。这种按光在水介质中衰减规律概念建立的非均匀照明光场E(X,Y,Z)。由于近距离目标C₁处照明光场E₁非常低，所以产生的散射背景噪声也非常小，而远距离目标C₂的场强E₂虽然非常高，但其附近水体产生的散射背景噪声经过长距离的衰减已非常微弱了，因此在这种理想非均匀照明光场中，在全空间范围内可接收到极低的背景噪声(包括单次和多次散射背景噪声)，且不存在接收盲区问题。

本实用新型可应用于以下具体技术领域

水下作业照明

随着科学技术的发展，水下探测技术也水涨船高，当下的水下视觉系统中在清晰的水下环境下可以实现一定距离的清晰成像，但是在浑浊的近岸水域则由于水中悬浮质过多难以实现远距离的清晰成像，在大型的水下潜器(大型工作级ROV，潜艇)应用中更是由于这一点限制了其探测、运作的范围。在水下作业系统中，诸如水焊接、水下电缆铺设工作介质环境复杂，采用普通照明方式根本无法达到清晰的照明要求，但是使用此套大范围非均匀光场照明设备，可以实现浑浊水质作业环境下的作业。

水下文物古迹照明展示

三峡大坝兴建引起的库区水位变动导致沿岸的很多名胜古迹被永久性淹没于长江水体。使得具有百年千年的文化遗产遭到损失，在兴建沿岸水下延伸观测工程工程的同时很多学者发现水下灯光的照度、灯光的入射方式等对展示水下文物遗迹极为重要，尤其是某些大体积、广面积的水下文物照明，采用普通光源照射很难达到清晰成像的目的。此套装置在文物保护方面将提供更大范围的非均匀照明效果，解决照明图像清晰的同时，更能实现大范围的文物估计观测与展示。对水下文物保护工程的可持续发展，具有重要研究价值和应用意义。

水下大体积高速目标物姿态观测

在海军军事应用中，很多的水下高速运动物体姿态的观测对于整个系统的研究具有举足轻重的作用，由于大部分是大体积设备，采用普通光源只能观测到某一部分的图像，难以实现整体姿态的观测，本套设备可以实现水下空间大范围光场的构建，在距离光源15m处可形成3m*4m的宽广非均匀照明区域，可以应付浑浊水质中高达1.9倍能见度距离的高速目标运动图像的捕获、存储、回放功能，更好的为研究服务。

Claims (2)

1.非均匀大光场目标图像探测装置，包括上位机(30)，其特征在于还包括一组图像采集装置(28)和两组非均匀照明阵列(27)，且两组非均匀照明阵列(27)位于图像采集装置(28)两侧；

所述的图像采集装置(28)，包括由CCD架座(21)、设置在CCD架座(21)上的CCD架杆(22)、以及设置在CCD架杆(22)上的上、中、下三个CCD安装座(23)组成的安装架，且中间CCD安装座(23)安装高速摄像机(26)，另外两个CCD安装座(23)分别安装水下双目CCD摄像机(24)；所述的三个摄像机都采用了三自由度底座(25)固定；

所述的每组非均匀照明阵列(27)包括由光源阵列架座(16)、设置在光源阵列架座(16)上的集束光源阵列架杆(17)、以及设置在集束光源阵列架杆(17)上的五个支撑杆(18)组成的光源安装架，和4个200w以上的大功率的非均匀集束光源(20)与一个至少150w的中等功率的非均匀集束光源(20)；其中，所述中等功率的非均匀集束光源(20)安装在最低端的支撑杆(18)上且位于集束光源阵列架杆(17)的内侧；每个非均匀集束光源(20)的底座为三自由度光源底座(19)，

所述的非均匀集束光源(20)，包括中空圆柱形壳体(8)，为铝合金耐压密封舱体，壳体(8)后端设有后端盖(2)，后端盖(2)上安装水密电缆接头(1)，用于接入220v交流电压；壳体(8)内安装有金卤光源(15)，光源(15)固定在壳体(8)内的可推拉式光源底座(6)上，且通过此光源底座(6)在壳体(8)内前后移动可以前后调整光源(15)发光球体的焦距位置；壳体(8)位于光源(15)前方的位置还安装有调节环(7)，所述壳体(8)的前端安装有透镜(9)，所述透镜(9)前方有光学窗(12)安装在壳体(8)的前端部，所述金卤光源(15)功率为150W以上；当非均匀集束光源(20)的透镜(9)为双凸透镜且金卤光源(15)为200w以上时作为大功率非均匀集束光源，当非均匀集束光源(20)的透镜(9)为菲涅尔透镜且金卤光源(15)为至少150w时作为中等功率的非均匀集束光源。

2.如权利要求1所述的非均匀大光场目标图像探测装置，其特征在于菲涅尔透镜直径为11cm以上。