一种智能水下激光主动成像装置和成像方法与流程

本发明涉及一种智能水下激光主动成像装置，通过自动调节支架水平，自动调节脉冲激光器（纳秒级）与探测器的距离，同时采用纳米位移驱动的快速倾斜镜（Fast Steering Mirror-FSM）消除图像抖动，从而完成对水下目标的稳定成像。

背景技术：

水下激光主动成像时，后向散射效应对光学探测精度影响非常大；在水下湍流严重条件下，湍流会带来图像的抖动，严重影响目标的探测；对于水底的颠簸不平，导致系统自身的不平衡从而不能平稳成像。因此水下激光成像要求抑制后向散射效应，消除图像抖动。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于提供一种可消除后向散射、消除图像抖动的智能水下激光主动成像装置和成像方法，以解决现有技术存在的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种智能水下激光主动成像装置，其特征在于：包括

声呐5，用于发出声波探测水下目标，确定目标区域；

激光发射器1，用于在声呐5确定目标区域后，向水下目标发出纳秒脉冲激光；

电机4，用于带动激光发射器1、成像探测系统3上下运动和左右运动对水下目标进行光栅扫描；

成像探测系统3，用于获取光栅扫描的图像，并将图像去抖动以后进行图像成像，同时将成像的图像传递给远端的显示终端。

所述激光发射器1包括发射光学镜头，用于发射激光到目标上；

所述成像探测系统3包括接收光学镜头和CCD探测器，接收光学镜头接收从目标处返回的图像传递给CCD探测器，CCD探测器将图像传递给远程的显示终端。

所述激光发射器1还包括分光镜、光学衰减片、光电PIN、触发卡和同步控制卡；

所述激光发射器1发射的纳秒脉冲激光通过分光镜分光后，一束光通过发射光学镜头发射到目标上，另一束光用于依次通过光学衰减片、光电PIN、触发卡、同步控制卡后，同步控制卡根据预设时间t产生同步信号触发CCD探测器选通，进行光栅扫描图像的获取。

所述预设时间t通过以下方式获取：声呐（5）获取到目标的探测距离后， 根据激光在水中的传播速度，计算激光从发射到达到目标的时间t，同步控制卡在接收到触发卡的脉冲信号后，延迟预设时间t发送信号触发CCD探测器选通。

所述成像探测系统还包括纳米陶瓷驱动、非线性控制器、图像处理卡，所述纳米陶瓷驱动包括FSM镜面和FSM执行器；

接收光学镜头接收到从目标处返回的激光后，激光通过FSM镜面反射进入到CCD执行器，图像处理卡获取CCD探测器获取的图像后，计算抖动带来的偏差，将该偏差发送给非线性控制器，非线性控制器驱动FSM执行器对FSM镜面进行角度的调整。

所述FSM镜面和FSM执行器之间通过点粘的方式连接。

还包括支架2，支架2上部设置可摇摆的连杆，所述激光发射器1和成像探测系统3分别通过不同的电动伸缩杆连接在连杆上，所述声呐5设置在连杆的侧面，所述电机4设置在支架2上，当电机4接收到远端传送的信号后，通过带动连杆的俯仰运动和左右运动，进而带动激光发射器1上下运动和左右运动；或者电机在接受到远端的信号后，通过控制电动伸缩杆的伸缩控制激光发射器1和成像探测系统3之间的距离。

一种智能水下激光主动成像方法，包括：

通过声呐5探测确定水下的目标区域；

使用激光作为光源对目标进行照明，通过操纵激光光源的上下运动和左右运动，对水下的目标进行光栅扫描；

通过捕获装置捕获光栅扫描的目标图像，并对捕获的图像进行去抖动，获取目标图像的成像图像；

将成像图像传输到远端的显示终端。

在捕获目标图像的成像图像后，工作人员通过观察显示终端的成像图像，调整光源和捕获装置之间的距离用以获取后向散射小的图像。

通过声呐5探测目标距离后，根据激光在水中的传播速度，获取激光从发射到达到目标的时间t，在进行目标图像的捕获时，激光光源发射t时间后，开始使用捕获装置进行图像的捕获。

本发明的有益效果：1、本发明的脉冲激光器和探测器间距可调节，可减小后向散射效应的影响，获取最优成像位置；2、本发明采用成像系统内部安装纳米陶瓷驱动FSM，从而实现水下目标稳定成像。

附图说明

图1为本发明的程序流程图。

图2为本发明的机械结构图。

图3为本发明的系统工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，本发明提供一种智能水下激光主动成像装置，该装置通过自动控制、纳米位移驱动与光学探测相结合的方法，从而为水下机动目标高速稳定成像提供必要的技术支撑；同时，由于采用压电陶瓷驱动技术，因此本发明可以实现高精度的稳定成像，在工程上亦更易实现。

本发明的装置包括声呐5，用于发出声波探测水下目标，确定目标区域；激光发射器1，用于在声呐5确定目标区域后，向水下目标发出激光；电机4，用于带动激光发射器1上下运动和左右运动对水下目标进行光栅扫描；成像探测系统3，用于获取光栅扫描的图像，并将图像去抖动以后进行图像成像，同时将成像的图像传递给远端的显示终端。

如图2所示，本发明还包括可伸缩的支架2，支架2上设置陀螺传感器，同时支架2设置为四条腿，四条腿均可伸缩，支架2上部设置可摇摆的连杆，激光发射器1和成像探测系统3分别通过不同的电动伸缩杆6连接在连杆上，而声呐5设置在连杆的侧面，且激光发射器、成像探测系统3、声呐5应朝向相同的一侧，方便进行目标的探测，而电机4设置在支架2上。工作人员将装置放在目标附近的区域后，通过工作人员远程发送信号给装置，使装置通过电机4自动调节可伸缩的支架2的高度，保持支架的平衡。如果需要开始进行光栅扫描，则工作人员给发送信号，电机4接收到远端传送的信号后，通过带动连杆的俯仰运动和左右运动，进而带动激光发射器1和成像探测系统3上下运动和左右运动，通过光栅扫描的方式对目标进行图像的捕获。而由于在水下进行照明时，容易产生后向散射，因此，工作人员通过远程观察显示终端获取的图像的效果，手动调节发送信号给电机，通过电机控制电动伸缩杆的伸缩，进而控制激光发射器1和成像探测系统3之间的距离，寻找一个人眼观察的成像效果较好的距离。

本发明的激光发射器1至少包括用于发射激光到目标上的发射光学镜头，而成像探测系统3则至少包括接收光学镜头和CCD探测器，接收光学镜头接收从目标处返回的图像传递给CCD探测器，CCD探测器将图像传递给远程的显示终端进行显示。

而如图3所示的，本发明的激光发射器1还包括分光镜、光学衰减片、光电PIN、触发卡和同步控制卡；激光发射器1发射的纳秒脉冲激光通过分光镜分光后，一束光通过发射光学镜头发射到目标上，另一束光用于依次通过光学衰减片、光电PIN、触发卡、同步控制卡后，同步控制卡根据预设时间t产生同步信号触发CCD探测器选通，进行光栅扫描图像的获取。

上述预设时间t通过以下方式获取：声呐5获取到目标的探测距离后， 根据激光在水中的传播速度，计算激光从发射到达到目标的时间t，同步控制卡在接收到触发卡的同步脉冲信号后，延迟预设时间t发送信号触发CCD探测器选通，CCD探测器通过选通获取从目标返回的图像，避免获取从激光发射器发向目标的过程中因为后向散射的问题生成的噪声大的图像。

本发明中脉冲激光器采用纳秒脉冲对水下目标实施照明，采用同步技术配合CCD探测器的选通成像功能，减小悬浮微粒带来的后向散射光，可显著提高探测的信噪比。

本发明为了的消除图像的抖动，成像探测系统还包括纳米陶瓷驱动、非线性控制器、图像处理卡，纳米陶瓷驱动包括FSM镜面和FSM执行器；接收光学镜头接收到从目标处返回的激光后，激光通过FSM镜面反射进入到CCD执行器，图像处理卡获取CCD探测器获取的图像后，计算抖动带来的偏差，将该偏差发送给非线性控制器，非线性控制器驱动FSM执行器对FSM镜面进行角度的调整，用于消除水下湍流或者装置动作等原因带来的图像抖动，即本发明通过纳米陶瓷驱动FSM对偏差进行补偿，完成同步稳定成像的功能。

要得到高质量的图像，需要保证FSM镜体的面形精度。在工艺实现上，FSM的镜体与FSM执行器采用“胶粘形式”连接，本发明采用“点粘”方法实现FSM与纳米陶瓷驱动执行器的联接；为抑制像差影响，“点粘”完成后对FSM进行面形进行测试，面形精度（RMS）不大于λ/20（λ为激光的光波长）。

如图1所示，本发明装置的工作过程为：

首先，系统开机，系统开机以后， 将装置投放至指定区域，然后将判断支架2是否调平，否的话对支架进行调平，是的话，启动声呐进行目标区域的定位，如果未定位到目标区域，则继续投放设备，如果定位到目标区域，则启动激光发射器和成像探测系统，同时控制电机启动光栅扫描，如果有目标图像，则通过调节激光发射器和探测器的距离、调整FSM镜面的角度启动稳像系统获取稳定的图像，并将图像发送给船舶数据处理中心。

本发明还提供一种智能水下激光主动成像方法，包括以下步骤：

通过声呐5探测确定水下的目标区域；

使用激光作为光源对目标进行照明，通过操纵激光光源的上下运动和左右运动，对水下的目标进行光栅扫描；

通过捕获装置捕获光栅扫描的目标图像，并对捕获的图像进行去抖动，获取目标图像的成像图像；

将成像图像传输到远端的显示终端。

在捕获目标图像的成像图像后，工作人员通过观察显示终端的成像图像，调整光源和捕获装置之间的距离用以获取后向散射小的图像。

而通过声呐5探测目标距离后，根据激光在水中的传播速度，获取激光从发射到达到目标的时间t，在进行目标图像的捕获时，激光光源发射t时间后，开始使用捕获装置进行图像的捕获，提高图像的信噪比。

本发明具有以下优点：

（1）通过调节激光器和CCD探测器之间的距离，在探测器视场范围内可以减小后向散射的影响，进而辅助距离选通成像，使成像质量更优；

（2）为消除图像抖动，图像处理卡快速计算抖动偏差，通过采用非线性控制算法控制纳米陶瓷驱动FSM，FSM以相同偏差抵消抖动偏差，实现快速稳像；

（3）支架控制系统接收来自陀螺传感器的偏差信号，经滤波、解调、校正，通过电机驱动“四条腿”调节高度，使整个装置保持平衡。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。