[發(fā)明專利]水下小目標(biāo)動(dòng)態(tài)精細(xì)檢測(cè)三維成像裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911357770.0
• 申請(qǐng)日: 2019-12-25
• 公開（公告）號(hào): CN111090103B
• 公開（公告）日: 2021-03-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐鵬飛;駱佳成;任子成;張?jiān)?/a>;陳茂飛;程紅霞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S17/894
• 分類號(hào): G01S17/894;G06T7/90
• 代理公司: 南京縱橫知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32224
• 代理人: 許婉靜

本發(fā)明公開了一種水下小目標(biāo)動(dòng)態(tài)精細(xì)檢測(cè)三維成像裝置，包括平臺(tái)（3），其特征在于：激光發(fā)射模塊與水下攝像機(jī)（1）固定安裝在平臺(tái)上，水下攝像機(jī)（1）與處理單元（5）連接;所述激光發(fā)射模塊為陣列激光發(fā)射單元（2）；所述陣列激光發(fā)射單元的激光器布置方式為：多個(gè)激光器（9）按設(shè)定間隔平行排列布置，所述激光器為一字線激光器；或在同一垂直平面的同一位置布置多個(gè)激光器，所述激光器為一字線激光器，每個(gè)一字線激光器以不同的角度安裝。本發(fā)明的水下小目標(biāo)動(dòng)態(tài)精細(xì)檢測(cè)三維成像裝置，由于采用激光陣列單元，減少了點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接次數(shù)，提高點(diǎn)云成像質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了海底高精度精細(xì)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種水下小目標(biāo)動(dòng)態(tài)精細(xì)檢測(cè)三維成像裝置，屬于水下機(jī)器人探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

為了滿足水下機(jī)器人在復(fù)雜海洋環(huán)境下的高效自主作業(yè)需求，水下目標(biāo)檢測(cè)作為機(jī)器人“眼睛”的功能要求越來越高，探測(cè)技術(shù)手段也越來越先進(jìn)。水下目標(biāo)檢測(cè)的任務(wù)是在特定區(qū)域找出感興趣的目標(biāo)，是目標(biāo)提取與識(shí)別的重要過程，目前應(yīng)用較為廣泛的主要有聲學(xué)檢測(cè)、光學(xué)檢測(cè)和磁探測(cè)技術(shù)等。由于水體對(duì)電磁波的快速吸收作用，光學(xué)探測(cè)距離近，水中懸浮顆粒物的散射以及光源的不均勻性都會(huì)導(dǎo)致圖像嚴(yán)重退化，由三維到二維的成像過程不可避免地?fù)p失了深度信息。基于雙目光視覺的水下目標(biāo)檢測(cè)從理論上可以補(bǔ)充空間信息，但針對(duì)水下非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的雙目視覺特征匹配容易出現(xiàn)誤匹配和病態(tài)問題，在線處理的計(jì)算量大、速度慢、精度差、故障率高。因此，水下目標(biāo)探測(cè)長期以聲學(xué)探測(cè)為主，具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、不受水質(zhì)條件影響等優(yōu)勢(shì)，高分辨率圖像聲納技術(shù)發(fā)展迅速，包括前視聲納、側(cè)掃聲納、多波束測(cè)深聲納，得到了廣泛的應(yīng)用。與光學(xué)相比，聲學(xué)圖像反映的是目標(biāo)對(duì)聲波的反射能量強(qiáng)度空間分布，由于水聲信道的復(fù)雜性導(dǎo)致聲學(xué)圖像非常不直觀、難以理解。因此，近年來出現(xiàn)了對(duì)聲納圖像進(jìn)行幾何特征提取再進(jìn)行空間重構(gòu)的三維聲納成像技術(shù)，但由于水聲信道噪聲干擾，聲納波束主瓣指向不可避免存在旁瓣效應(yīng)，導(dǎo)致成像分辨率雖高但檢測(cè)精度較低，無法滿足小目標(biāo)的精細(xì)檢測(cè)要求。此外，距離1m以內(nèi)是目前三維聲納成像的檢測(cè)盲區(qū)。激光掃描三維成像是當(dāng)前比較前沿的高新技術(shù)手段，具有高分辨率、高精度的特點(diǎn)，圖像處理計(jì)算量大大降低，但依然存在掃描速度慢、一致性構(gòu)圖質(zhì)量受導(dǎo)航定位精度、載體位姿變化影響等缺陷。因此，水下機(jī)器人高速航行工況下近距離內(nèi)的水下小目標(biāo)精細(xì)檢測(cè)是目前亟待解決的關(guān)鍵難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：現(xiàn)有的水下光視覺、聲視覺獲得的都是二維圖像，光學(xué)探測(cè)受到水中懸浮顆粒散射、光源不均勻照明等影響，聲學(xué)探測(cè)受到水聲信道多途效應(yīng)、換能器波束旁瓣效應(yīng)等影響，成像質(zhì)量較差及檢測(cè)精度難以保證，無法準(zhǔn)確獲取水下目標(biāo)的三維信息，不方便在線測(cè)量目標(biāo)空間尺度特征，載體高速運(yùn)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)匹配非常困難。

為滿足水下小目標(biāo)及精細(xì)結(jié)構(gòu)的高分辨率三維檢測(cè)需求，本發(fā)明提出一種水下小目標(biāo)動(dòng)態(tài)精細(xì)檢測(cè)三維成像裝置及方法，是水下光視覺與水下激光掃描技術(shù)的創(chuàng)新組合，利用激光指向性強(qiáng)、藍(lán)綠激光水下穿透性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，首次采用平行激光陣列代替單線激光器進(jìn)行快速掃描，大幅提高了水下激光的三維成像效率，實(shí)現(xiàn)多線激光掃描一次成像，可對(duì)高速航行工況下的水下動(dòng)態(tài)小目標(biāo)進(jìn)行高效、高分辨率、高精度的三維點(diǎn)云成像，可搭載于各類水下機(jī)器人完成精細(xì)目標(biāo)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等任務(wù)。

本發(fā)明的水下小目標(biāo)動(dòng)態(tài)精細(xì)檢測(cè)三維成像裝置，包括平臺(tái)3，激光發(fā)射模塊與水下攝像機(jī)1固定安裝在平臺(tái)上，水下攝像機(jī)1與處理單元5連接。

進(jìn)一步地，所述平臺(tái)安裝在水下機(jī)器人8的下部，激光發(fā)射模塊與水下攝像機(jī)1方向向下安裝在平臺(tái)3上，所述激光發(fā)射模塊為陣列激光發(fā)射單元2，水下攝像機(jī)1向陣列激光發(fā)射單元2方向傾斜安裝。

進(jìn)一步地，所述水下攝像機(jī)1為兩臺(tái)，分別安裝在陣列激光發(fā)射單元2的兩側(cè)。

進(jìn)一步地，所述激光發(fā)射模塊為單線激光器4，激光發(fā)射模塊、水下攝像機(jī)1與處理單元5均安裝在平臺(tái)3上，所述平臺(tái)3固定安裝在步進(jìn)電機(jī)6的輸出軸上，所述步進(jìn)電機(jī)6安裝在支架7上。

一種水下小目標(biāo)動(dòng)態(tài)精細(xì)檢測(cè)三維成像方法，具體包括以下步驟：