CN210774767U - 一种可视化水下箱式采样器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可视化水下箱式采样器，包括箱式采样器、双目成像子系统、接收端光端机、上位机；所双目成像子系统包括两台参数完全相同的水下成像仪，两者对称安装在箱式采样器的左右两端，同步采集水下目标物图像序列；每水下成像仪旁均安装有LED光源、水下深度测量仪和控制单元；水下成像仪、水下LED光源和水下深度测量仪均与控制单元相连；所有控制单元均与接收端光端机相连，接收端光端机与上位机相连。本实用新型结构合理、操作简单，能够实现海洋目标样品采集、视像资料采集与实时监测。

Description

一种可视化水下箱式采样器

技术领域

本实用新型涉及一种水下箱式采样器，特别是一种用于水下实时观测的箱式采样器。

背景技术

箱式采样器是采样管或采样筒呈方形或长方箱式取样器形的沉积物采样装置。由管架、采样盒、重锤、闭合铲等组成。当取样器到达海底时，靠重锤的重力使采样筒插入海底沉积物中，闭合铲转动切取底部沉积物入采样筒内。箱式采样器取样时沉积物扰动较小或者基本不扰动，适于采取原状样品，因此被广泛应用于海洋科考，是一种常见的海洋地质采样的工具。

随着海洋科考工作逐步推进，对矿产资源量勘探精度需求的提高，单纯依据取样器获取的数据对其资源量进行评估已无法满足需求，因而近年来将视像法引入资源量评估中。特别是在大范围资源量的评估中，由于原位采样范围小、耗时长，视像法以其快速、大范围的特性逐步得到重视。为减小视像法测量精度不足的问题，目前提出通过用某一点原位取样数据对其视像测量数据进行校正。然而，当前市面上的箱式采样器并不具备采样与获取视像信息的功能。因此，可视化水下箱式采样器具有极大的市场可能性与技术创新性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的缺点和不足，提供一种可视化水下箱式采样器，该装置利用两台水下成像仪同步获取水下物体图像，并基于双目视觉原理计算物体的三维空间坐标，从而获得物体上每一个点与成像仪之间的空间距离；根据同步测量的水下深度测量仪，测量采样器距离海底的高度与俯仰角；通过与上位机连接可以实现采样过程的实时可见与视像资料存储。

为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种可视化水下箱式采样器，包括箱式采样器、双目成像子系统、接收端光端机、上位机；所双目成像子系统包括两台参数完全相同的水下成像仪，两者对称安装在箱式采样器的左右两端，同步采集水下目标物图像序列；每水下成像仪旁均安装有LED光源、水下深度测量仪和控制单元；水下成像仪、水下LED光源和水下深度测量仪均与控制单元相连；所有控制单元均与接收端光端机相连，接收端光端机与上位机相连。

进一步的，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。

进一步的，所述成像镜头采用电动对焦镜头。

进一步的，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发送端光端机、电源管理模块和微型工控机；电源管理模块为水下成像仪、水下LED光源、水下深度测量仪提供电压；水下成像仪、水下深度测量仪、水下深度测量仪以及发送端光端机均与微型工控机相连；所述发送端光端机和接收端光端机通过光纤相互通讯。

进一步的，所述两台参数完全相同的水下成像仪通过支架对称安装在箱式采样器的左右两端，且成像面均位于支架的下端面。

进一步的，两个LED光源通过支架对称安装在箱式采样器的左右两端，且均位于支架的下端面。

进一步的，两个水下深度测量仪通过支架对称安装在箱式采样器的左右两端，且探测面均位于支架的下端面。

相对于现有技术，本实用新型的有益效果如下：

本实用新型采用上位机与水下成像系统连接，直接获取采样实时视频，可实时观测采集过程，掌握样品采集整个过程；

本实用新型采用两台水下成像仪，实现水下双目视觉成像，直接获取所摄视像对应实际尺寸；

本实用新型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

图1是本实用新型的整体结构主视图；

图2是本实用新型的整体结构侧视图；

图3是本实用新型的水下成像仪的内外部结构示意图；

图4是本实用新型的控制单元的内部结构示意图；

图中，箱式采样器1、接收端光端机2、上位机3、水下成像仪4、LED光源5、水下深度测量仪6、控制单元7、成像仪密封舱8、成像镜头9、液晶可调谐滤光片10、微光相机11、对焦控制电路12、集线器13、控制单元密封舱14、发送端光端机15、电源管理模块16、微型工控机17、支架18。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型实施例作进一步地详细描述。

如图1-4所示，本实用新型提供一种可视化水下箱式采样器，包括箱式采样器1、双目成像子系统、接收端光端机2、上位机3；所双目成像子系统包括两台参数完全相同的水下成像仪4，两者对称安装在箱式采样器1的左右两端，同步采集水下目标物图像序列；每水下成像仪4旁均安装有LED光源5、水下深度测量仪6和控制单元7；水下成像仪4、水下LED光源5和水下深度测量仪6均与控制单元7相连；所有控制单元7均与接收端光端机2相连，接收端光端机2与上位机3相连。

所述水下成像仪4包括成像仪密封舱8以及安装在成像仪密封舱8内的成像镜头9、液晶可调谐滤光片10、微光相机11、对焦控制电路12和集线器13；由成像仪密封舱8保证其在水下正常工作，所述成像镜头9、液晶可调谐滤光片10和微光相机11依次布置在同一光轴上。所述成像仪密封舱8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9；所述液晶可调谐滤光片10位于微光相机11和成像镜头9之间，对通过成像镜头9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12驱动成像镜头9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11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11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11、液晶可调谐滤光片10、对焦控制电路12均通过集线器13与微型工控机17相连，对焦控制电路12控制成像镜头9进行对焦；所述成像镜头9采用电动对焦镜头。

所述控制单元7包括控制单元密封舱14以及安装在控制单元密封舱14内的发送端光端机15、电源管理模块16和微型工控机17；电源管理模块16为水下成像仪4、水下LED光源5、水下深度测量仪6提供电压；水下LED光源5在水下黑暗或弱光环境下为水下成像提供辅助照明；水下成像仪4、水下深度测量仪6、水下深度测量仪6以及发送端光端机15均与微型工控机17相连；所述控制单元密封舱14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；所述发送端光端机15和接收端光端机2通过水密接插件和水下光电复合缆形成光纤信道，所述上位机3与微型工控机17进行光纤通讯，向微型工控机17发送数据采集、传输以及装置控制指令，并进行数据接收、数据存储和处理。

所述两台参数完全相同的水下成像仪4通过支架18对称安装在箱式采样器1的左右两端，且成像面均位于支架18的下端面，即位于同一平面上，满足双目视觉成像要求。两个LED光源5通过支架18对称安装在箱式采样器1的左右两端，且均位于支架18的下端面。两个水下深度测量仪6通过支架18对称安装在箱式采样器1的左右两端，且探测面均位于支架18的下端面，即前端面位于同一平面上，用于测量箱式采样器1所处深度与俯仰角。

本实施例中箱式采样器1可以采用Ocean Instruments公司的BX-640型号的产品，但不限于此；水下LED光源5可以采用Deepsea公司SLS 6500型号的产品，但不限于此；水下深度测量仪6可以采用Tritech公司PA500型号的产品，但不限于此；微光相机11可以采用Andor公司iXon Ultra 888EMCCD型号的产品，但不限于此；液晶可调谐滤光片10可以采用CRi公司VIS-10VariSpec Filter型号的产品，但不限于此；对焦控制电路12可以采用公布号为CN1080408A的对焦电路，但不限于此；微型工控机17可以采用COMMELL公司LP-175型号的产品，但不限于此。

本实用新型的工作过程如下：

(1)将箱式采样器1通过拖曳缆与科考船连接，将控制单元7内的发送端光端机15通过水密接插件和线缆与上位机3相连接，并检查上位机3与采样器之间的通信；

(2)上位机3发送开始指令后，接收端光端机2将开始指令传递至发送端光端机15，控制单元7控制各组器件开始工作；电源管理模块16向水下成像仪4、LED光源5、水下深度测量仪6供电；水下LED光源5提供光照；控制单元7接收微光相机11的实时图像，同时对获取的实时图像的清晰度进行评判，若评判所得清晰度未达到设定值，控制对焦控制电路12进行对焦，直至达到设定清晰度值，并通过发送端光端机15发送至上位机3；

(3)控制单元7接受上位机3发送的开始指令后，开始实时采集水下深度测量仪6的测量的数据，并与实时图像一同通过发送端光端机15发送至上位机3；上位机3上的可视化软件将控制单元7所得到水下深度测量仪6测量的数据进行计算，可得到采样器离底距离和俯仰角。

D＝0.5*(D1+D2)

θ＝arctan((D2-D1)/L)

其中D为采样器离底距离，θ为采样器俯仰角，D1为第一个水下深度测量仪6的读数，D2为第二个水下深度测量仪6的读数，L为第一个水下深度测量仪6与第二个水下深度测量仪6之间的距离；

(4)根据步骤(2)中获取的实时图像，选择第一个水下成像仪4建立相机坐标系，使用双目立体视觉技术确定图像中个目标的空间坐标，进一步可以得到所摄图像对应的实际面积、目标物体实际尺寸；

(5)在上位机3通过可视化软件将实时显示两个水下成像仪4所获取的图像、采样器的实际姿态(俯仰角)、距底距离、图像对应的实际尺寸；进一步得可以通过算法识别出采样器即将进行原位采样的实际位置；

(6)当箱式采样器1到达海底时，靠自身机械结构将底部沉积物入采样筒内，可在上位机3上实时观测到采样情况；

(7)上位机3中观测到采样完成后，待采样引起的水体浑浊消失，通过拖曳缆将采样器进行回收，与此同时可以实时观测采样对海底底质的影响，以及观测到采样器实际采样深度与采样面积；

(8)待采样过程完成后，上位机3发送结束命令，电源管理模块16停止向水下成像仪4、LED光源5、水下深度测量仪6供电，控制单元7不再通过发送端光端机15发送至上位机3。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，本技术领域的技术人员认为，随着技术的发展，可以以许多不同的方式来实现本实用新型的基本构想，因此，本实用新型及其实施例不限于上文所述的实例。任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本实用新型的保护范围之内，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种可视化水下箱式采样器，其特征在于，包括箱式采样器、双目成像子系统、接收端光端机、上位机；所双目成像子系统包括两台参数完全相同的水下成像仪，两者对称安装在箱式采样器的左右两端，同步采集水下目标物图像序列；每水下成像仪旁均安装有LED光源、水下深度测量仪和控制单元；水下成像仪、水下LED光源和水下深度测量仪均与控制单元相连；所有控制单元均与接收端光端机相连，接收端光端机与上位机相连。

2.根据权利要求1所述的一种可视化水下箱式采样器，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。

3.根据权利要求2所述的一种可视化水下箱式采样器，其特征在于，所述成像镜头采用电动对焦镜头。

4.根据权利要求2所述的一种可视化水下箱式采样器，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发送端光端机、电源管理模块和微型工控机；电源管理模块为水下成像仪、水下LED光源、水下深度测量仪提供电压；水下成像仪、水下深度测量仪、水下深度测量仪以及发送端光端机均与微型工控机相连；所述发送端光端机和接收端光端机通过光纤相互通讯。

5.根据权利要求1所述的一种可视化水下箱式采样器，其特征在于，所述两台参数完全相同的水下成像仪通过支架对称安装在箱式采样器的左右两端，且成像面均位于支架的下端面。

6.根据权利要求1所述的一种可视化水下箱式采样器，其特征在于，两个LED光源通过支架对称安装在箱式采样器的左右两端，且均位于支架的下端面。

7.根据权利要求1所述的一种可视化水下箱式采样器，其特征在于，两个水下深度测量仪通过支架对称安装在箱式采样器的左右两端，且探测面均位于支架的下端面。

Images