[發明專利]一種拖曳式水下熒光光譜成像儀及成像方法

在審

• 申請號: 201910262204.5
• 申請日: 2019-04-02
• 公開（公告）號: CN109959452A
• 公開（公告）日: 2019-07-02
• 發明（設計）人: 宋宏;萬啟新;郭乙陸;申屠溢醇;吳超鵬;王文鑫
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01J3/44
• 分類號: G01J3/44;G01J3/02;G01N21/64;B63C11/52
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.拖曳式水下熒光光譜成像儀，其特征在于，包括拖曳體(1)和通過內部支架安裝在拖曳體(1)內部的電源模塊(3)、熒光光譜成像單元、彩色圖像成像單元、照明模塊(10)、高度測量單元、控制單元(11)等；所述照明模塊(10)、熒光光譜成像單元、彩色圖像成像單元和高度測量單元均與控制單元(11)相連，其中電源模塊(3)為整個拖曳式水下熒光光譜成像儀提供工作電壓，在控制單元(11)的控制下照明模塊(10)向海底目標物發射特定波長的熒光激發光，熒光光譜成像單元對海底目標物所激發出的熒光成像，彩色圖像成像單元對目標物及其周圍環境成像，高度測量單元估計拖曳體姿態并估計拖曳體離底距離。

2.根據權利要求1所述的拖曳式水下熒光光譜成像儀，其特征在于，所述拖曳體(1)主要由腔體和安裝在腔體下方的下端蓋組成；所述拖曳體(1)前方有用于連接拖曳纜的環狀接口，腔體上方安裝有水密接插件(2)；所述水密接插件(2)用于拖曳體(1)內部與外部實現信號傳輸和電力傳輸；所述下端蓋上嵌有一塊透明耐壓玻璃，并為高度測量單元預留安裝孔洞。

3.根據權利要求2所述的拖曳式水下熒光光譜成像儀，其特征在于，所述熒光光譜成像單元包括第一成像鏡組(7)、液晶可調濾光器(6)和光譜相機(5)；所述第一成像鏡組(7)、液晶可調濾光器(6)和光譜相機(5)均安裝在內部支架上，并依次布置在同一光軸上；第一成像鏡組(7)與拖曳體(1)下端蓋上的耐壓玻璃貼近并與控制單元(11)相連；所述液晶可調濾光器(6)與控制單元相連(11)，控制單元(11)通過電壓來使液晶可調濾光(6)器透過不同波長的光，使入射到光譜相機(5)的光僅有熒光波段的光。

4.根據權利要求3所述的拖曳式水下熒光光譜成像儀，其特征在于，所述第一成像鏡組7包括光學變焦鏡頭或長工作距離成像物鏡。

5.根據權利要求4所述的拖曳式水下熒光光譜成像儀，其特征在于，所述彩色圖像成像單元包括第二成像鏡組(9)和彩色相機(8)；所述第二成像鏡組(9)與彩色相機(8)均安裝在內部支架上，并依次布置在同一光軸上；所述第二成像鏡組(9)與拖曳體(1)下端蓋上的耐壓玻璃貼近并與控制單元(11)相連。

6.根據權利要求5所述的拖曳式水下熒光光譜成像儀，其特征在于，所述第二成像鏡組(9)包括光學變焦鏡頭或長工作距離成像物鏡。

7.根據權利要求6所述的拖曳式水下熒光光譜成像儀，其特征在于，所述照明模塊(10)包括LED支架和LED組合陣列；所述LED組合陣列通過LED支架固定在拖曳體(1)的下表面；所述LED組合陣列包括多個LED陣列單元，不同的LED陣列單元其發出的光處于不同的波段內，波段分布從300nm到480nm；所述LED陣列單元均與聚光罩結合，使得光束收縮，出射能量聚集在成像區域內；所述照明模塊與控制單元(11)相連接，控制單元(11)分別控制任何一個LED陣列單元的開啟或關閉以及供電電壓，達到照明模塊出射的激發光譜波段范圍的選擇和照明強弱的控制。

8.根據權利要求7所述的拖曳式水下熒光光譜成像儀，其特征在于，所述高度測量單元包括超聲波高度計(4)；所述超聲波高度計(4)安裝在下端蓋的預留孔中；兩個超聲波高度計(4)分別安裝在拖曳體(1)的前側和后側，以獲得拖曳體(1)離底高度和拖曳體(1)的俯仰角；超聲波高度計(4)與控制單元(11)相連，控制單元(11)通過同時采集兩個超聲波高度計(4)的讀數從而計算出拖曳體離底距離和拖曳體俯仰角。

9.根據權利要求8所述的拖曳式水下熒光光譜成像儀，其特征在于，所述控制單元(11)包括工控機和發送端光端機；所述工控機分別與熒光光譜成像單元、彩色圖像成像單元、照明模塊(10)、高度測量單元相連接，通過發送端光端機發送至上位機。

10.根據權利要求9所述的拖曳式水下熒光光譜成像儀的成像方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

(1)將拖曳體(1)通過拖曳纜與拖曳船連接，將拖曳式水下熒光光譜成像儀通過水密接插件(2)與上位機相連接并檢查上位機與拖曳體之間的通信；

(2)拖曳式水下熒光光譜成像儀接通電源后，控制單元(11)開始接收光譜相機(5)和彩色相機(8)的實時圖像并通過發送端光端機發送至上位機，并通過分析圖像整體亮度來控制相機增益和成像鏡組的光圈大??；

(3)控制單元(11)實時采集兩個超聲波高度計(4)的數據，通過計算得到拖曳體中心的離底距離和拖曳體俯仰角；

D＝0.5*(D1+D2)

θ＝arctan((D2-D1)/L)

其中D為拖曳體離底距離，θ為拖曳體俯仰角，D1為前側超聲波高度計讀數，D2為后側超聲波高度計讀數，L為前后超聲波高度計距離；

(4)控制單元通過拖曳體中心離地距離和拖曳體俯仰角來控制成像鏡組的對焦，以獲得清晰的目標物光譜圖像和彩色圖像；

(5)將拖曳體在目標區域內勻速拖曳，以掃描整個區域的熒光光譜圖像，同時上位機接收并記錄控制單元所傳回的數據。