[發(fā)明專利]一種雙目成像式水下光譜反射率原位測(cè)量裝置及測(cè)量方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811276541.1
• 申請(qǐng)日: 2018-10-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109444056A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋宏;吳超鵬;申屠溢醇;王文鑫;萬(wàn)啟新;楊萍;方美芬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/27
• 分類號(hào): G01N21/27;G01V8/10
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種雙目成像式水下光譜反射率原位測(cè)量裝置，其特征在于，包括雙目光譜成像子系統(tǒng)、水下寬光譜LED光源(3)、水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x(4)、控制單元(5)、接收端光端機(jī)(6)、上位機(jī)(7)、支架(8)等；其中，所述雙目光譜成像子系統(tǒng)包括兩臺(tái)參數(shù)完全相同的第一水下光譜成像儀(1)和第二水下光譜成像儀(2)，兩者平行安裝在支架(8)的左右兩側(cè)且前端面位于同一平面上；所述第一水下光譜成像儀(1)和第二水下光譜成像儀(2)同步采集水下目標(biāo)物光譜圖像序列；所述水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x(4)固定于支架(8)上，用于測(cè)量水體光學(xué)衰減系數(shù)，所述第一水下光譜成像儀(1)、第二水下光譜成像儀(2)、水下寬光譜LED光源(3)和水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x(4)均與控制單元(5)相連，控制單元(5)與接收端光端機(jī)(6)相連，接收端光端機(jī)(6)與上位機(jī)(7)相連。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙目成像式水下光譜反射率原位測(cè)量裝置，其特征在于，所述第一水下光譜成像儀(1)和第二水下光譜成像儀(2)均包括光譜成像儀密封艙(15)以及安裝在光譜成像儀密封艙(15)內(nèi)的成像鏡頭(11)、液晶可調(diào)諧濾光片(10)、圖像傳感器(9)、對(duì)焦控制電路(12)和集線器(13)；所述圖像傳感器(9)、液晶可調(diào)諧濾光片(10)和成像鏡頭(11)依次布置在同一光軸上；所述圖像傳感器(9)、液晶可調(diào)諧濾光片(10)、對(duì)焦控制電路(12)均通過(guò)集線器(13)與控制單元(5)相連，對(duì)焦控制電路(12)控制成像鏡頭(11)進(jìn)行對(duì)焦。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙目成像式水下光譜反射率原位測(cè)量裝置，其特征在于，所述成像鏡頭(11)采用電動(dòng)對(duì)焦鏡頭。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙目成像式水下光譜反射率原位測(cè)量裝置，其特征在于，所述圖像傳感器(9)采用微光相機(jī)。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙目成像式水下光譜反射率原位測(cè)量裝置，其特征在于，所述圖像傳感器(9)與液晶可調(diào)諧濾光片(10)之間通過(guò)安裝轉(zhuǎn)像透鏡組擴(kuò)大成像視場(chǎng)。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙目成像式水下光譜反射率原位測(cè)量裝置，其特征在于，所述控制單元(5)包括控制單元密封艙(19)以及安裝在控制單元密封艙(19)內(nèi)的發(fā)送端光端機(jī)(16)、電源管理模塊(17)和微型工控機(jī)(18)；所述電源管理模塊(17)為整個(gè)雙目成像式水下光譜反射率原位測(cè)量裝置提供工作電壓；水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x(4)、第一水下光譜成像儀(1)、第二水下光譜成像儀(2)以及發(fā)送端光端機(jī)(16)均與微型工控機(jī)(18)相連，所述發(fā)送端光端機(jī)(16)和接收端光端機(jī)(8)通過(guò)光纖相互通訊。

7.一種根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙目成像式水下光譜反射率原位測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)針對(duì)采用的水下寬光譜LED光源(3)，測(cè)量光源出射光譜特性；結(jié)合光源自身輻射特性、水體的衰減系數(shù)和水下光場(chǎng)光譜輻照度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立水下光場(chǎng)光譜輻照度分布模型E(x,y,z,λ)，其中(x,y,z)為空間點(diǎn)坐標(biāo)，λ為不同波長(zhǎng)；

(2)使用標(biāo)準(zhǔn)光譜輻亮度計(jì)和積分球光源，在空氣中對(duì)第一水下光譜成像儀(1)和第二水下光譜成像儀(2)進(jìn)行定標(biāo)，建立物體表面點(diǎn)的光譜圖像響應(yīng)I(x,y,z,λ)與表面光譜輻亮度L(x,y,z,λ)的定標(biāo)關(guān)系，即L(x,y,z,λ)＝f(I(x,y,z,λ))；

(3)由水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x(4)測(cè)量得到水體的光譜衰減系數(shù)α(λ_k)，k∈(1,n)，λ_k為第k波段的中心波長(zhǎng)，n為第一水下光譜成像儀(1)或第二水下光譜成像儀(2)的成像波段數(shù)；

(4)微型工控機(jī)(18)控制第一水下光譜成像儀(1)和第二水下光譜成像儀(2)同步采集原始光譜圖像序列；

(5)從兩組光譜圖像中取出同一波段的兩張光譜圖像，使用SIFT算法對(duì)這兩張圖像作位置匹配，基于位置匹配結(jié)果即可得到同一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)在兩組光譜圖像上的位置坐標(biāo)；

(6)選擇第一水下光譜成像儀(1)或第二水下光譜成像儀(2)建立相機(jī)坐標(biāo)系，使用雙目立體視覺(jué)技術(shù)確定任一目標(biāo)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)與第一水下光譜成像儀(1)或第二水下光譜成像儀(2)的空間距離為D(x,y,z)；

(7)根據(jù)步驟(3)得到的水體光譜衰減系數(shù)，對(duì)光譜圖像進(jìn)行衰減補(bǔ)償，獲得水下目標(biāo)物體的真實(shí)光譜響應(yīng)：

其中，I₀(x,y,z,λ_k)為目標(biāo)點(diǎn)在λ_k波段的光譜圖像上的原始響應(yīng)強(qiáng)度，I_r(x,y,z,λ_k)為經(jīng)衰減補(bǔ)償后的光譜響應(yīng)強(qiáng)度；

(8)根據(jù)步驟(2)得到的光譜圖像響應(yīng)與物體表面光譜輻亮度的定標(biāo)關(guān)系，獲取目標(biāo)點(diǎn)的反射光譜輻亮度為L(zhǎng)_r(x,y,z,λ_k)＝f(I_r(x,y,z,λ_k))；

(9)根據(jù)步驟(1)得到的水下寬光譜LED光源(3)在水下的光譜輻照度分布模型和和步驟(6)得到的空間三維信息，獲取目標(biāo)點(diǎn)的入射光譜輻照度為E_r(x,y,z,λ_k)；

(10)獲取水下目標(biāo)物表面光譜反射率為R_r(x,y,z,λ_k)＝πL_r(x,y,z,λ_k)/E_r(x,y,z,λ_k)。