CN214374259U - 一种适用于水下的高光谱成像分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及适用于一种水下的高光谱成像分析仪，舱体内设有支架，所述光谱成像模块与光电探测器连接，并固定于支架上；所述光电探测器、线状宽带光源与供电通讯控制单元连接；所述线状宽带光源设于舱体内壁；所述舱体两侧分别通过前端舱盖、后端舱盖密封，供电通讯控制单元通过水密缆与水下潜水器连接。将水下高光谱成像分析仪搭载于水下潜水器对海底目标物进行目标物识别与分析，并且兼容移动式水下潜水器和固定式水下潜水器，使水下高光谱成像分析仪适用范围更大。本实用新型采用线状宽带光源，并且光谱成像模块的扫描区域和主动光源模块的照明区域保持同步，能大大提高水下目标物的高光谱信号强度。

Description

一种适用于水下的高光谱成像分析仪

技术领域

本实用新型属于水下目标物识别领域，具体地说是一种水下高光谱成像分析仪。

背景技术

目前，针对水下目标物的识别装备多是基于机器视觉识别的方法研制的，此种方法较难实现外观差别不大的目标物的有效识别。在陆地上已经得到广泛应用的高光谱成像分析方法，能够同时获取目标物的光谱信息和方位信息，但是在水下的应用还比较少。原因在于水体本身对高光谱信号衰减和吸收较大；水下环境复杂，水下目标物的高光谱特征不明显，并且强度较弱。现有的水下高光谱分析仪多搭载水下潜水器进行巡航式扫描，或者快照式扫描，分辨率限制了其成像识别效果。由此可见，水下应用高光谱成像分析技术对目标物进行识别时，需要就扫描方式和照明方式两方面进行结构上的改进。

实用新型内容

为了增加水下高光谱成像分析仪的适用性，本实用新型提供了一种水下高光谱成像分析仪，该分析仪可以兼容扫描方式，当需要对水下大面积区域进行目标物识别时，水下高光谱成像分析仪搭载水下潜水器以特定速度延预设航线对经过的区域进行扫描，获取经过区域的高光谱信号；当需要对特定面积进行精细扫描时，水下高光谱成像分析仪搭载静止水下潜水器(如坐底长期观测系统或悬停的AUV/ROV)通过转动实现对特定目标区域的高分辨率扫描。

为了克服水下目标物高光谱信号较弱的局限，本实用新型提供一种线状宽带光源的主动照明方案，该方案以卤素灯或全光谱LED灯作为主动照明光源，光线经过椭圆柱面反射后能以带状光的形式照射到扫描区域，并与光谱成像模块的扫描位置同步，从而提高照射到目标区域的光强度，进而得到足够强度的扫描区域的高光谱信号。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种适用于水下的高光谱成像分析仪，包括舱体以及设于舱体内的供电通讯控制单元、光谱成像模块、支架、线状宽带光源和光电探测器；

所述舱体内设有支架，所述光谱成像模块与光电探测器连接，并固定于支架上；所述光电探测器、线状宽带光源与供电通讯控制单元连接；所述线状宽带光源设于舱体内壁；

所述舱体两侧分别通过前端舱盖、后端舱盖密封，供电通讯控制单元通过水密缆与水下潜水器连接。

所述舱体为透明壳体。所述舱体为石英玻璃壳体。所述舱体为中空的管状壳体，两端分别通过前端舱盖、后端舱盖密封。

所述舱体两端的前端舱盖、后端舱盖分别设有安装于潜水器上的轴承座，舱体两端的前端舱盖、后端舱盖外表面上分别设有转轴，两个转轴分别通过轴承与两端的轴承座转动连接；水下电机安装于潜水器下方，水下电机的输出端与前端舱盖和后端舱盖上的转轴连接，通过水下电机驱动舱体旋转。

所述舱体呈水平状态。

所述水下潜水器外壁或水下电机上设有激光测距仪，所述激光测距仪通过线缆与供电通讯控制单元连接。

所述线状宽带光源设置方向与舱体轴向方向平行。

所述线状宽带光源为多条，并排设于舱体内壁。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

将水下高光谱成像分析仪搭载于水下潜水器对海底目标物进行目标物识别与分析，并且兼容移动式水下潜水器和固定式水下潜水器，使水下高光谱成像分析仪适用范围更大。同时，本实用新型采用线状宽带光源，并且光谱成像模块的扫描区域和主动光源模块的照明区域保持同步，能大大提高水下目标物的高光谱信号强度。

附图说明

图1水下高光谱成像分析仪主耐压舱的结构示意图；

其中，1舱体，2前端舱盖，3供电通讯控制单元，4，光谱成像模块，5，支架，6线状宽带光源(方向与耐压舱轴向平行)，7光电探测器；8后舱端盖；

图2水下高光谱成像分析仪搭载水下潜水器整体结构示意图；

其中，1舱体，12水下电机，13激光测距仪，14水下电缆，15水下潜水器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1所示，水下潜水器通过水密缆与耐压舱内供电通讯控制单元3相连，为整套系统供电并建立通讯。供电通讯控制单元3为线状宽带光源6、光电探测器7供电。

如图2所示，主耐压舱通过水下电机安装于水下潜水器，并通过连接线缆水下潜水器相连。主耐压舱舱体为石英玻璃，对线状照明光源和高光谱信号几乎没有影响；主耐压舱内的主动光源模块发出的线状光始终与成像光谱仪的扫描区域保持同步，从而提高照明区域内的光照强度；主耐压舱内的聚焦模块根据激光测距仪反馈的距底高度以及转动扫描时的扫描角度，自动调节是目标物始终在焦平面上。

水下电机通过连接线缆与水下潜水器相连，同时将主耐压舱和激光测距仪固定于水下潜水器，并且根据水下潜水器的运动状态按照设定好的模式进行工作：当水下潜水器静止时，在水下潜水器提供的动力驱动下，水下电机将带动主耐压舱按照特定速度转动，高光谱信号采集区域和照明区域同步扫描，最终完成特定区域的扫描；当水下潜水器按照航线运动时，水下电机将带动主耐压舱回复初始位置即垂直向下，主耐压舱角度保持不动，水下潜水器按照特定速度带动主耐压舱内的各模块完成水下潜水器前进方向的扫描。

所述激光测距仪用于测量主耐压舱的距底高度，即主耐压舱内高光谱成像分析与目标物的距离，并将此高度输入给主耐压舱的供电通讯控制单元，为高光谱信号的采集提供反馈，并作为后期信号强度校正的依据。

当水下高光谱成像仪搭载固定式水下潜水器(如坐底长期观测系统或悬浮的AUV/ROV)进行探测时，主耐压舱通过水下电机安装于潜水器上，随潜水器布放至特定的观测区域后，在水下电机的带动下主耐压舱发生转动，实现对特定的区域进行高分辨率的高光谱探测；当水下高光谱成像仪搭载移动式水下潜水器(如ROV、AUV等)时，主耐压舱通过水下电机安装于潜水器上，对水下潜水器运动经过的区域进行高光谱探测。通过线状宽带光源对被探测区域进行照明，并与扫描区域同步，从而提高扫描区域的光照强度，增大待测区域的高光谱信号强度；通过成像光谱仪主机获取待测目标物的高光谱信号，通过成像光谱仪内部的辅助摄像头获取扫描区域的图像。

1.水下目标物高光谱特征库的建立：首先，在室内水池内创造和水下相同的光照条件(如晚上无其他光照)，通过大量水下常见目标物(如贻贝、自生碳酸盐岩等)的高光谱信号收集和训练，建立水下目标物的高光谱特征数据库。

2.安装：将主耐压舱1、激光测距仪13通过水下电机12安装于水下潜水器15，并通过水下电缆14与水下潜水器15连接，通过水下潜水器供电和控制主耐压舱1内各部件的工作状态，同时主耐压舱1与水下电机12、激光测距仪 13也通过水下电缆14连接，实现主耐压舱角度与距底高度两个参数的反馈。

3.校正：通过水池在晚上无光照条件下，模拟本实用新型实际工作时的光照条件和水质条件，将校正白板放置于水下高光谱成像分析仪的工作范围内的不同距离处，采集白板数据和背景数据，获得不同工作距离时的校正系数。

本步骤中，获取不同工作距离下白板的高光谱信号时，收集到的白板的数据和灯的原始谱线相除，即可得到不同工作距离时的校正系数(已经包含了水体本身对高光谱信号的衰减)。

4.工作模式设定：根据水下运载潜水器的不同，下水前对水下高光谱成像分析仪设定不同的扫描模式。当水下高光谱成像分析仪搭载ROV或者AUV等移动式水下潜水器时，选择移动式扫描对预设航线上的区域进行高光谱信号采集；当搭载平台为固定式水下平台或者悬浮的AUV/ROV时，选择转动式扫描对固定观测区域进行高光谱信号采集。

5.高光谱数据的获取：当水下高光谱成像分析仪选择移动式扫描时，主耐压舱在安装支架的驱动下恢复初始位置，主耐压舱内的光谱成像模块随水下潜水器的运动获取航线区域内的高光谱信号，同时成像光谱仪主机的辅助成像摄像头同步获取航线区域内的彩色图像；当水下高光谱成像分析仪选择转动式扫描时，主耐压舱内部的光谱成像模块随着转动对固定观测区域进行扫描，获得固定区域的高光谱信号，同时成像光谱仪主机的辅助成像摄像头获取航线区域内的彩色图像。

6.高光谱原始数据的校正：当水下高光谱成像分析仪搭载移动式水下潜水器时，由于水下潜水器的不稳定性以及地形地貌本身的变化，导致目标物和水下高光谱成像分析仪的工作距离发生变化，因此需要对高光谱原始数据进行校正。当水下高光谱成像分析仪搭载移动式水下潜水器时，激光测距仪会实时记录水下高光谱成像分析仪距离海底的高度，通过事先获得的不同工作距离的校正系数对目标物的高光谱原始数据进行校正，从而获得真实强度的目标物的高光谱信号。

本步骤中，根据激光测距仪同步记录的距底高度，选择不同工作距离的校正系数，对原始数据进行校正即可。

7.数据的保存和通信：当水下高光谱成像分析仪搭载ROV时，数据将通过 ROV的脐带缆实时传输至甲板的控制电脑上；当水下高光谱仪搭载AUV或者 Lander时，数据将自动保存，待AUV或者Lander回收后将高光谱数据导出。

本实用新型可搭载水下潜水器，实现对水下目标物的高光谱信号的探测与分析，从而实现对水下目标物的识别。将高光谱成像分析技术应用于水下目标物的识别分析领域，同时获得水下目标物的方位信息和光谱特征信息，能更加高效的对水下目标物进行识别分析。相较于其他陆上或者水下高光谱仪，本实用新型通过线状宽带光源汇聚照明光，并与扫描区域的同步运动，使照明效率大大提升，从而提高水下目标物的高光谱信号强度，整体结构简单稳定，且易于实现。

Claims (9)

1.一种适用于水下的高光谱成像分析仪，其特征在于，包括舱体(1)以及设于舱体(1)内的供电通讯控制单元(3)、光谱成像模块(4)、支架(5)、线状宽带光源(6)和光电探测器(7)；

所述舱体(1)内设有支架(5)，所述光谱成像模块(4)与光电探测器(7)连接，并固定于支架(5)上；所述光电探测器(7)、线状宽带光源(6)与供电通讯控制单元(3)连接；所述线状宽带光源设于舱体(1)内壁；

所述舱体(1)两侧分别通过前端舱盖(2)、后端舱盖(8)密封，供电通讯控制单元(3)通过水密缆与水下潜水器连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于水下的高光谱成像分析仪，其特征在于，所述舱体(1)为透明壳体。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于水下的高光谱成像分析仪，其特征在于，所述舱体(1)为石英玻璃壳体。

4.根据权利要求1或2所述的一种适用于水下的高光谱成像分析仪，其特征在于，所述舱体(1)为中空的管状壳体，两端分别通过前端舱盖(2)、后端舱盖(8)密封。

5.根据权利要求1所述的一种适用于水下的高光谱成像分析仪，其特征在于：所述舱体(1)两端的前端舱盖(2)、后端舱盖(8)分别设有安装于水下潜水器上的轴承座，舱体(1)两端的前端舱盖(2)、后端舱盖(8)外表面上分别设有转轴，两个转轴分别通过轴承与两端的轴承座转动连接；水下电机(12)安装于水下潜水器下方，水下电机(12)的输出端与前端舱盖(2)和后端舱盖(8)上的转轴连接，通过水下电机(12)驱动舱体(1)旋转。

6.根据权利要求1所述的一种适用于水下的高光谱成像分析仪，其特征在于：所述舱体(1)呈水平状态。

7.根据权利要求1所述的一种适用于水下的高光谱成像分析仪，其特征在于：所述水下潜水器外壁或水下电机(12)上设有激光测距仪，所述激光测距仪通过线缆与供电通讯控制单元(3)连接。

8.根据权利要求1所述的一种适用于水下的高光谱成像分析仪，其特征在于，所述线状宽带光源(6)设置方向与舱体(1)轴向方向平行。

9.根据权利要求1或8所述的一种适用于水下的高光谱成像分析仪，其特征在于，所述线状宽带光源(6)为多条，并排设于舱体(1)内壁。

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