基于图像的水下三点激光测距系统

发布时间：2020-10-02 09:44

　　 在深海多金属矿物资源勘探中,海底摄像拖体离底高度信息是多金属矿物资源量评估的一项重要参数,目前主要使用水下高度计进行测量。水下高度计测量频率为1 Hz,不能实时测量显示海底摄像拖体运行过程中离底高度信息的变化,存在离底高度与视频图像不同步匹配的问题。同时,水下高度计不能为视频图像提供比例尺,无法实现矿物大小、覆盖面积、覆盖率的实时有效测量。针对以上问题,本文从离底高度信息的实时测量和提供图像比例尺的需求出发,设计并研制了一套基于图像的水下三点激光测距系统。创新性地将带有固定俯角的水下激光器组与水下成像系统相结合,对系统的激光器组、成像系统、控制系统、深海密封舱体的结构及密封系统等软硬件进行了设计。考虑角度对测距精度的影响,建立了三种角度情况下(垂直、存在旋转角、存在俯仰角)的三点激光测距理论模型,推导了距离与水下激光光斑图像之间的数学关系。空气中搭建定标测试平台,完成了三点激光测距定标实验,验证了三种角度情况下三点激光测距模型的可行性,为提高角度类型未知时三点激光测距的精度,探究了统一的三点激光测距定标公式。水下激光测距实验结果显示,使用优化后的水下三点激光测距算法,在水下10m测试范围内,测距误差平均值为1.5 cm,相对误差平均值为0.3%。探究实验表明:水体浊度对水下三点激光测距系统测距精度几乎无影响,系统稳定性高。将水下三点激光测距与水下高度计和水下单点激光测距仪进行对比讨论,相比之下水下三点激光测距系统的测距实时性高,水体浊度对其测距影响小,系统结构简单。同时三点激光测距系统具有图像比例尺功能,可在测距的基础上实现目标物体尺寸、面积的测量,为水体目标探测提供新的测量手段。最后,此套三点激光测距系统被应用于2017年7月大洋41B航次和2018年9月大洋51航次深海多金属矿物资源勘探任务,实现了对海底摄像拖体离底高度、矿物覆盖面积、覆盖率的实时有效测量,为深海多金属矿物资源的定量化勘探评估提供了有效的技术支撑。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN249;P715
【部分图文】：

逦逡逑Ｔｒｉｔｅｃｈ、Ｖａｌｅｐｏｒｔ、Ｋｏｎｇｓｂｅｒｇ、Ｓｕｂｓｅａ邋等公司产品。Ｖａｌｅｐｏｒｔ邋公司型号为邋ＶＡ５００邋水下高度逡逑计，如图１．１所示，使用５００ｋＨｚ宽带换能器，测距范围为０．１ｍ？１００ｍ，数据传输频率有逡逑１、２、４Ｈｚ可选，具体参数如表１．１所示。逡逑图１．邋１邋ＶａｌｅｐｏｒｔＶＡ５００水下高度计逡逑表１．邋１邋Ｖａｌｅｐｏｒｔ邋ＶＡ５００水下高度计产品参数表逡逑＂参数类别逦参数值逦参数类别逦参数值逡逑换能器频率逦５００邋ｋＨｚ逦使用水深逦６０００邋ｍ逡逑测距范围逦０．１邋ｍ？１００邋ｍ逦壳体逦钛逡逑分辨率逦１ｍｍ逦输入电压逦９？２８ＶＤＣ逡逑光束角逦±３。逦功率逦＞１２５ｍＡ＠１２Ｖ逡逑数据传输洰逦Ｋ邋２，４Ｈｚ逦尅逡逑逦１９５邋ｍｍ含连接器长度逡逑由表１．１中水下高度计产品参数表可知，水下高度计测量精度高，数据传输显示频率逡逑低。在大洋科考过程中，海底摄像拖体工作行驶速度较快，当数据传输频率为１邋Ｈｚ时，逡逑离底高度的数值信息会有１ｓ的测量延迟，此１ｓ时间内的视频中并无对应的实时离底高逡逑度信息。可见，水下高度计不能实时显示记录当前海底摄像拖体的离底高度，存在离底高逡逑度与视频图像不同步匹配的问题。逡逑深海环境中摄像拖体为获得清晰的图像，其作业高度必须在一个较小的范围内，运动逡逑时会扰动海底

次所产生的相位延迟，再根据调制激光信号的波长计算出该相位延迟所代表的距离，也就逡逑是用测量相位变化的间接方法代替直接测量激光的飞行时间，从而获得被测距离信息［４３邋４４］，逡逑如图１．２所示。逡逑准直部分逡逑逦邋ｈＨ邋调制信号逡逑相位差一信号处理邋逦＾邋＾逦ｉ＼逡逑——邋Ｈ邋ｒ｝／ＶＡ邋Ａｌ邋／逡逑聚焦部分逦参考目标逡逑图１．２相位式激光测距系统图［４３］逡逑国内外很多科研院校在激光测距技术方面的研究大多为基于相位法的便捷式激光测逡逑距系统中各部分硬件电路的设计、测距算法的实现以及测距系统误差分析等内容［？＾］。国逡逑内相关公司也相继研制出了各类便捷式的相位式激光测距仪，但该类激光测距仪均不具备逡逑防水功能，只能用于陆地。逡逑西安电子科技大学的韩旭同等人［４６］在２０１４年主要对便捷式相位式激光测距仪的原理逡逑及软硬件的实现方案（自动功率控制（ＡＰＣ）驱动电路、雪崩二极管ＡＰＤ的温度补偿电路、逡逑接收徵弱信号故大电路）等内容进行了研究；四川师范大学的孔琪等人［４７］在２０１８年利用混逡逑４逡逑

脉冲式激光测距，其基本原理为通过测量脉冲激光到待测目标的往返所记录的脉冲个逡逑数，从而计算时间差ｚｌ／，激光的传播速度已知，进而测得待测距离［４３￣５２］，测距系统结构如逡逑图１．３所示。逡逑控制处理模块逦逦激光发射楔块逦？待逡逑开始信号逡逑逦邋１逦测逡逑＿，，逦！终止信号丨逦＠逡逑时＿激光接收模块＾——标逡逑图１．３脉冲式激光测距系统图逡逑■逦ＣＣＤ邋或邋ＣＭＯＳ逦？逦ＣＣＤ邋或邋ＣＭＯＳ邋＾逡逑；激光器逦激光器逦Ｅ逡逑ｘ逦被n,物体面逦工逦被测物体面逡逑图丨．４三角式激光测距系统图Ｉ５＇左：直射式三角激光测距，右：斜射式三角激光测距逡逑三角式激光测距，即激光光源、被测面、光电接收器共同构成一个三角形光路，由激逡逑光器发出的光束，经过发射透镜聚焦后入射到被测物体表面上，光接收系统接收来自入射逡逑５逡逑

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本文编号：2832246