水下靜止及高速移動目標三維成像方法及成像系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種水下靜止及高速移動目標三維成像方法及成像系統，為解決現有技術測量精度低問題，包括激光器、光束整形系統、矩形光柵或者正弦光柵、單色傅立葉變換透鏡、頻譜選擇器、波片、單色變倍率鏡頭、精密絲杠、精密導軌、高速振鏡、高清高速攝像機、AUV水密艙a、AUV水密艙b、計算機及軟件分析系統、數據存儲器、無線發射器、同步通信控制系統的系統利用投影輸出二維正弦光強靶標對水下目標照射的同時，再利用高清高速攝像機對所述被照射水下目標變形圖像同步采集，計算機及軟件處理系統將采集的變形圖像進行相應的圖像、圖形計算，完成對待測水下目標的三維成像及模式識別處理，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器中，便于適時讀取或者適時將數據通過無線方式傳輸至基站。具有測量精度高，利于大面積測量的優點。
【專利說明】
水下靜止及高速移動目標三維成像方法及成像系統
技術領域
[0001]本發明涉及一種水下目標成像方法，特別是涉及一種水下靜止及高速移動目標三維成像方法及成像系統。
【背景技術】
[0002]水下地形、地貌的探測，主要是利用聲吶發出的超聲波，并探測地形的反射回波，但是，這一方法不僅不能探測凸起于海床上的礁石或巖石，而且測量精度、測量點密度難以達到目前國際水文測繪的精度要求標準，滿足不了進行符合水文測繪標準的大范圍海床水文地理測繪的要求，其他，還有合成孔徑聲吶技術，精度有所提高，但不適合高精度的水下測量。現在，正在發展的水下藍綠激光探測技術，探測精度優于聲吶探測技術。主要有利用二維振鏡的脈沖激光測深儀，以及利用一維振鏡的激光光束線掃描探深技術，掃描視場和掃描面積均受制于振鏡的掃描速度，掃描范圍和掃描效率相對較低。
[0003]專利號200510016796.0專利是最相近專利。該專利中，有四項關鍵技術未能解決。第一，對關鍵核心部件矩形光柵的選擇沒有針對性，單純利用矩形光柵的制作誤差，實現的二級光譜輸出，不具有可控性；第二，占有輸入能量70%以上的零級頻譜不能有效利用，且只能降低輸出正弦光強靶標圖像的對比度；第三，傅立葉變換透鏡及變倍率鏡頭為通用設計，沒有針對單一波長光的針對性設計，輸出的正弦光強靶標圖像像場像差較大，是測量精度提高的一大障礙；第四，平行光輸出，限制了測量的視場范圍，不利于大面積測量。
【發明內容】
[0004]本發明目的在于克服現有技術的上述缺陷，提供一種測量精度高，利于大面積測量的水下靜止及高速移動目標三維成像方法，本發明目的還在于提供用于實現該方法的成像系統。
[0005]為實現上述目的，本發明水下靜止及高速移動目標三維成像方法是利用投影輸出二維正弦光強靶標圖像對水下目標照射的同時，再利用高清高速攝像機對所述被照射水下目標變形圖像同步采集，計算機及軟件處理系統將采集的變形圖像進行相應的圖像、圖形計算，完成對待測水下目標的三維成像及模式識別處理，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器中，便于適時讀取或者適時將數據通過無線方式，傳輸至水面、空中，或者陸地基站；
[0006]激光束是利用波片、矩形光柵、濾光片及光學空間濾波器，進行空間分頻、合成，產生任意空間頻率的二維正弦光強靶標結構光。具有測量精度高，利于大面積測量的優點。
[0007]作為優化，所述二維正弦光強靶標的結構光使用占空比精確控制制造的矩形光柵，進行空間分頻，結合頻譜選擇器，同級次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉移到奇數次頻譜，提高高空間頻率正弦光強靶標的對比度，結合針對單一波長設計的單色專用鏡頭，有效降低波像差；
[0008]通過對輸出波面的標定，實現從低頻到高頻，高對比度，像場修正便捷，適合大視場范圍測量的正弦光強靶標圖像連續輸出。
[0009]作為優化，采用可直接進行小范圍投影測量的平行光投影輸出正弦光強靶標圖像；中等視場使用單色變倍率鏡頭輸出小角度非平行光正弦光強靶標圖像實現；大視場，則調整單色變倍率鏡頭，輸出大角度非平行光正弦光強靶標圖像實現；或者使用高速振鏡，大幅度擴大視場范圍；高速振鏡定位于單色變倍率鏡頭后面，用以輸出正弦光強靶標圖像投影。
[0010]高速振鏡定位于單色變倍率鏡頭后面，用以輸出正弦光強靶標圖像投影。
[0011]作為優化，在下列系統上實現，所述系統包括激光器、光束整形系統、矩形光柵或者正弦光柵、單色傅立葉變換透鏡、頻譜選擇器、波片、單色變倍率鏡頭、精密絲杠、精密導軌、高速振鏡、高清高速攝像機、AUV水密艙a、AUV水密艙b、計算機及軟件分析系統、數據存儲器、無線發射器、同步通信控制系統:
[0012]光束整形系統位于激光器的后面對激光束擴束、準直、整形；矩形光柵位于光束整形系統的后面，并使矩形光柵定位在單色傅立葉變換透鏡的前焦平面上；波片及頻譜選擇器位于單色傅立葉變換透鏡的后焦平面上，并定位于單色變倍率鏡頭的前焦平面上；高速振鏡位于單色變倍率鏡頭后面，用以大幅度擴大視場范圍；上述元器件全部位于精密絲杠和精密導軌上，并置于AUV水密艙a中；
[0013]高清高速攝像機以及計算機及軟件分析系統、數據存儲器、無線發射器置于AUV水密艙b中；計算機及軟件分析系統對高清高速攝像機獲取的圖像進行識別判斷，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器中，便于適時讀取；無線發射器實時，或者適時將數據通過無線方式，傳輸至水面、空中，或者陸地基站；
[0014]AUV水密艙a和AUV水密艙b的相對位置，構成測量基線，根據三角形定位原理，需要根據目標的距離確定；距離比較遠的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b構成的測量基線要遠一些；測量距離比較近的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b，可以合二為一，內部功能區域需要劃分為正弦光強靶標投影輸出區和高速攝像、存儲分析及信號發射區；同步通信控制系統(17)實現正弦光強靶標的投影輸出和拍攝動作同步進行；
[0015]同步通信控制系統實現投影輸出和拍攝動作同步進行。
[0016]作為優化，水下三維成像過程如下:
[0017]a.首先調整激光器、光束整形系統、矩形光柵或者正弦光柵、單色傅立葉變換透鏡、頻譜選擇器、波片、單色變倍率鏡頭、高速振鏡等器件置于精密絲杠和精密導軌上；并全部置于AUV水密艙a中，整個光路系統均按照同軸等高原則；計算機及軟件分析系統、數據存儲器和無線發射器置于AUV水密艙a中；安裝調試計算機及軟件處理系統、數據存儲器、無線發射器和同步通信控制系統；
[0018]b.激光器選擇圓光斑輸出的單模激光器，便于波面測量及補償，及單色傅立葉變換透鏡、波片、單色變倍率鏡頭的單色匹配設計；當選擇不同波長的激光器時，需要對應設計相匹配的單色傅立葉變換透鏡、波片、單色變倍率鏡頭；
[0019]c.光束整形系統，采用激光擴束器設計方式，降低入射到矩形光柵的功率密度，降低光柵損傷，便于提高激光器的功率；激光束腰位置的小孔，要求優于微米級的圓度，且無毛刺；
[0020]d.矩形光柵，要求占空比不等于1: 1，便利使用I級、2級及3級頻譜，充分利用其倍頻關系，快速提高空間頻率；為方便測試，矩形光柵也可方便的更換為正弦光柵，以及其他透明的圖像靶標，此時，去掉頻譜選擇器即可；
[0021]e.單色傅立葉變換透鏡和單色變倍率鏡頭，均需配合激光器的波長設計，實現空間光學傅里葉變換，同時兼顧孔徑和視場要求；
[0022]f.頻譜選擇器，包括電、磁或光尋址空間光調制器、數字式微反射鏡器件、機械式小孔均可，以方便選擇I級、2級及3級頻譜，并對零級頻譜略有衰減即可；在不使用矩形光柵，以及不需要頻譜選擇的條件下，可去掉；
[0023]g.波片，配合激光器的波長選擇波長，放置在零級頻譜位置，配合選擇I級、2級及3級頻譜，對應選擇1/4波片或1/2波片，將零級頻譜耦合進I級、2級或3級頻譜，提高輸出正弦光強靶標的對比度，有效利用零級頻譜能量；
[0024]h.高速振鏡，大幅度擴大視場范圍，高速振鏡定位于單色變倍率鏡頭后面，用以輸出正弦光強靶標圖像投影；
[0025]1.AUV水密艙a保護激光器、光束整形系統、矩形光柵、單色傅立葉變換透鏡、頻譜選擇器、波片、單色變倍率鏡頭、高速振鏡等器件采用藍寶石耐壓窗口，輸出正弦光強靶標圖像；
[0026]j.高清高速攝像機采集經待測水下目標反射的變形圖像，并傳輸至計算機及軟件處理系統；
[0027]k.AUV水密艙b保護高清高速攝像機、計算機及軟件分析系統、數據存儲器和無線發射器等器件采用藍寶石耐壓窗口，接收變形圖像；
[0028]1.測量距離比較近的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b，合二為一，內部功能區域需要劃分為正弦光強靶標投影輸出區和高速攝像、存儲分析及信號發射區，配合正弦光強靶標圖像輸出和接收變形圖像，采用2塊藍寶石耐壓窗口 ；
[0029]m.計算機及軟件處理系統接收高清高速攝像機采集的變形圖像，并進行相應的圖像、圖形計算，完成對待測水下目標的三維成像及模式識別處理，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器中，便于適時讀取；
[0030]η.無線發射器實時或者適時將探測數據及分析結果通過無線方式，傳輸至水面、空中，或者陸地基站；
[0031]ο.同步通信控制系統控制實現正弦光強靶標的投影輸出和拍攝動作同步進行，可采用聲吶通信，近距離可采用藍綠激光通信。
[0032]用于實現本發明所述方法的成像系統包括激光器、光束整形系統、矩形光柵或者正弦光柵、單色傅立葉變換透鏡、頻譜選擇器、波片、單色變倍率鏡頭、精密絲杠、精密導軌、高速振鏡、高清高速攝像機、AUV水密艙a、AUV水密艙b、計算機及軟件分析系統、數據存儲器、無線發射器、同步通信控制系統:
[0033]光束整形系統位于激光器的后面對激光束擴束、準直、整形；矩形光柵位于光束整形系統的后面，并使矩形光柵定位在單色傅立葉變換透鏡的前焦平面上；波片及頻譜選擇器位于單色傅立葉變換透鏡的后焦平面上，并定位于單色變倍率鏡頭的前焦平面上；高速振鏡位于單色變倍率鏡頭后面，用以大幅度擴大視場范圍；上述元器件全部位于精密絲杠和精密導軌上，并置于AUV水密艙a中；
[0034]高清高速攝像機以及計算機及軟件分析系統、數據存儲器、無線發射器置于AUV水密艙b中；計算機及軟件分析系統對高清高速攝像機獲取的圖像進行識別判斷，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器中，便于適時讀取；無線發射器實時，或者適時將數據通過無線方式，傳輸至水面、空中，或者陸地基站；
[0035]同步通信控制系統實現投影輸出和拍攝動作同步進行。具有測量精度高，利于大面積測量的優點。
[0036]作為優化，AUV水密艙a和AUV水密艙b的相對位置，構成測量基線，根據三角形定位原理，需要根據目標的距離確定；
[0037]距離比較遠的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b構成的測量基線要遠一些；測量距離比較近的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b，可以合二為一，內部功能區域需要劃分為正弦光強靶標投影輸出區和高速攝像、存儲分析及信號發射區；同步通信控制系統實現正弦光強靶標的投影輸出和拍攝動作同步進行；
[0038]精密絲杠和精密導軌上的元器件綜合功能是利用波片、矩形光柵、濾光片及光學空間濾波器，進行空間分頻、合成，產生任意空間頻率的二維正弦光強靶標結構光。
[0039]作為優化，所述二維正弦光強靶標的結構光使用占空比精確控制制造的矩形光柵，進行空間分頻，結合頻譜選擇器，同級次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉移到奇數次頻譜，提高高空間頻率正弦光強靶標的對比度，結合針對單一波長設計的單色專用鏡頭，有效降低波像差；
[0040]通過對輸出波面的標定，實現從低頻到高頻，高對比度，像場修正便捷，適合大視場范圍測量的正弦光強靶標圖像連續輸出。
[0041]作為優化，采用可直接進行小范圍投影測量的平行光投影輸出正弦光強靶標圖像；中等視場使用單色變倍率鏡頭輸出小角度非平行光正弦光強靶標圖像實現；大視場，則調整單色變倍率鏡頭，輸出大角度非平行光正弦光強靶標圖像實現；或者使用高速振鏡，大幅度擴大視場范圍；高速振鏡定位于單色變倍率鏡頭后面，用以輸出正弦光強靶標圖像投影。
[0042]作為優化，經過如下步驟進行三維成像:
[0043]a.首先調整激光器、光束整形系統、矩形光柵或者正弦光柵、單色傅立葉變換透鏡、頻譜選擇器、波片、單色變倍率鏡頭、高速振鏡等器件置于精密絲杠和精密導軌上；并全部置于AUV水密艙a中，整個光路系統均按照同軸等高原則；計算機及軟件分析系統、數據存儲器和無線發射器置于AUV水密艙a中；安裝調試計算機及軟件處理系統、數據存儲器、無線發射器和同步通信控制系統；
[0044]b.激光器選擇圓光斑輸出的單模激光器，便于波面測量及補償，及單色傅立葉變換透鏡、波片、單色變倍率鏡頭的單色匹配設計；當選擇不同波長的激光器時，需要對應設計相匹配的單色傅立葉變換透鏡、波片、單色變倍率鏡頭；
[0045]c.光束整形系統，采用激光擴束器設計方式，降低入射到矩形光柵的功率密度，降低光柵損傷，便于提高激光器的功率；激光束腰位置的小孔，要求優于微米級的圓度，且無毛刺；
[0046]d.矩形光柵，要求占空比不等于1: 1，便利使用I級、2級及3級頻譜，充分利用其倍頻關系，快速提高空間頻率；為方便測試，矩形光柵也可方便的更換為正弦光柵，以及其他透明的圖像靶標，此時，去掉頻譜選擇器即可；
[0047]e.單色傅立葉變換透鏡和單色變倍率鏡頭，均需配合激光器的波長設計，實現空間光學傅里葉變換，同時兼顧孔徑和視場要求；
[0048]f.頻譜選擇器，包括電、磁或光尋址空間光調制器、數字式微反射鏡器件、機械式小孔均可，以方便選擇I級、2級及3級頻譜，并對零級頻譜略有衰減即可；在不使用矩形光柵，以及不需要頻譜選擇的條件下，可去掉；
[0049]g.波片，配合激光器的波長選擇波長，放置在零級頻譜位置，配合選擇I級、2級及3級頻譜，對應選擇1/4波片或1/2波片，將零級頻譜耦合進I級、2級或3級頻譜，提高輸出正弦光強靶標的對比度，有效利用零級頻譜能量；
[0050]h.高速振鏡，大幅度擴大視場范圍，高速振鏡定位于單色變倍率鏡頭后面，用以輸出正弦光強靶標圖像投影；
[0051]1.AUV水密艙a保護激光器、光束整形系統、矩形光柵、單色傅立葉變換透鏡、頻譜選擇器、波片、單色變倍率鏡頭、高速振鏡等器件采用藍寶石耐壓窗口，輸出正弦光強靶標圖像；
[0052]j.高清高速攝像機采集經待測水下目標反射的變形圖像，并傳輸至計算機及軟件處理系統；
[0053]k.AUV水密艙b保護高清高速攝像機、計算機及軟件分析系統、數據存儲器和無線發射器等器件采用藍寶石耐壓窗口，接收變形圖像；
[0054]1.測量距離比較近的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b，合二為一，內部功能區域需要劃分為正弦光強靶標投影輸出區和高速攝像、存儲分析及信號發射區，配合正弦光強靶標圖像輸出和接收變形圖像，采用2塊藍寶石耐壓窗口 ；
[0055]m.計算機及軟件處理系統接收高清高速攝像機采集的變形圖像，并進行相應的圖像、圖形計算，完成對待測水下目標的三維成像及模式識別處理，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器中，便于適時讀取；
[0056]η.無線發射器實時或者適時將探測數據及分析結果通過無線方式，傳輸至水面、空中，或者陸地基站；
[0057]ο.同步通信控制系統控制實現正弦光強靶標的投影輸出和拍攝動作同步進行，可采用聲吶通信，近距離可采用藍綠激光通信。
[0058]其是針對【背景技術】中激光束點掃描的脈沖激光測深儀，每次單個點記錄，激光束線掃描技術，每次記錄一行，這兩類技術效率普遍較低的問題。本發明使用占空比精確控制制造的矩形光柵，進行空間分頻，結合頻譜選擇器，同級次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉移到奇數次頻譜，提高高空間頻率正弦圖像靶標的對比度，結合針對單一波長設計的單色專用鏡頭，有效降低波像差；通過對輸出波面的標定，實現從低頻到高頻，高對比度，像場修正便捷，適合大視場范圍測量的正弦光強靶標圖像連續輸出；矩形光柵也可方便的更換為正弦光柵；使用輸出二維正弦光強靶標的結構光，進行投影探測，大幅度提高掃描范圍和掃描效率；使用動力船、AUV、浮標或潛標的搭載方式，方便對于水下目標探測成像。屬于結構光水下探測成像領域，涉及利用波片、矩形光柵或正弦光柵、濾光片及光學空間濾波器，進行空間分頻、合成，產生任意空間頻率的二維正弦光強靶標結構光，結合高清高速攝像機以及AUV水密艙結構，使用動力船、AUV、深潛器、浮標或潛標的搭載方式，對水下目標，使用二維正弦光強靶標結構光投影探測成像的方法和裝置。
[0059]光束整形系統位于激光器的后面，對激光束擴束、準直、整形；矩形光柵位于光束整形系統的后面，并使矩形光柵定位在單色傅立葉變換透鏡的前焦平面上；波片及頻譜選擇器位于單色傅立葉變換透鏡的后焦平面上，并定位于單色變倍率鏡頭的前焦平面上；上述元器件全部位于精密絲杠和精密導軌組上，并置于AUV水密艙a中，AUV水密艙a設計藍寶石耐壓窗口 ；高清高速攝像機，以及計算機及軟件分析系統、數據存儲器、無線發射器等置于AUV水密艙b中，AUV水密艙b設計藍寶石耐壓窗口，計算機及軟件分析系統對高清高速攝像機獲取的圖像進行識別判斷，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器中，便于適時讀取；無線發射器實時，或者適時將數據通過無線方式，傳輸至水面、空中，或者陸地基站；AUV水密艙a和AUV水密艙b的相對位置，構成測量基線，根據三角形定位原理，需要根據目標的距離確定，距離比較遠的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b構成的測量基線要遠一些；測量距離比較近的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b，可以合二為一，內部功能區域需要劃分為正弦光強靶標投影輸出區和高速攝像、存儲分析及信號發射區；同步通信控制系統實現正弦光強靶標的投影輸出和拍攝動作同步進行。
[0060]本發明的優點是:本發明針對【背景技術】中矩形光柵的精確制作問題，頻率填充，零級頻譜能量利用率低，通用鏡頭選擇，以及測量視場受限等問題。本發明使用占空比精確制造的矩形光柵空間分頻，同級次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉移到奇數次頻譜，提高高空間頻率正弦光強靶標的對比度，結合針對單一波長設計的單色專用鏡頭，有效降低波像差，通過對輸出波面的標定，實現從低頻到高頻，高對比度，像場修正便捷，適合大視場范圍測量的正弦光強靶標圖像連續輸出；矩形光柵也可方便的更換為正弦光柵；使用高清高速攝像機，方便水下高速運動目標及高速動態過程的三維立體測量；使用動力船、AUV、浮標或潛標的搭載方式，方便對于水下目標探測成像；本發明主要適用于水下高精度的所有靜態及高速運動目標和高速動態過程的三維探測，如:水下地形、地貌、水下考古、壩體裂紋和滲流、水下搜救、水下管線、高速水下航行器、湍流、螺旋槳動態工作過程等。
【附圖說明】
[0061]圖1是用于實現本發明水下靜止及高速移動目標三維成像方法的本發明目的成像系統結構示意圖。
【具體實施方式】
[0062]本發明水下靜止及高速移動目標三維成像方法是利用投影輸出激光束對水下目標照射的同時，再利用高清高速攝像機對所述被照射水下目標進行變形圖像同步采集，計算機及軟件處理系統將采集的變形圖像進行相應的圖像、圖形計算，完成對待測水下目標的三維成像及模式識別處理，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器中，便于適時讀取或者適時將數據通過無線方式，傳輸至水面、空中，或者陸地基站；
[0063]激光束是利用波片、矩形光柵、濾光片及光學空間濾波器，進行空間分頻、合成，產生任意空間頻率的二維正弦光強靶標結構光。
[0064]所述二維正弦光強靶標的結構光使用占空比精確控制制造的矩形光柵，進行空間分頻，結合頻譜選擇器，同級次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉移到奇數次頻譜，提高高空間頻率正弦光強靶標的對比度，結合針對單一波長設計的單色專用鏡頭，有效降低波像差;
[0065]通過對輸出波面的標定，實現從低頻到高頻，高對比度，像場修下便捷，適合大視場范圍測量的正弦光強靶標圖像連續輸出。
[0066]采用可直接進行小范圍投影測量的平行光投影輸出正弦光強靶標圖像；中等視場使用單色變倍率鏡頭輸出小角度非平行光正弦光強靶標圖像實現；大視場，則調整單色變倍率鏡頭，輸出大角度非平行光正弦光強靶標圖像實現；或者使用高速振鏡，大幅度擴大視場范圍；
[0067]AUV水密艙a和AUV水密艙b的相對位置，構成測量基線，根據三角形定位原理，需要根據目標的距離確定；距離比較遠的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b構成的測量基線要遠一些；測量距離比較近的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b，可以合二為一，內部功能區域需要劃分為正弦光強靶標投影輸出區和高速攝像、存儲分析及信號發射區；同步通信控制系統實現正弦光強靶標的投影輸出和拍攝動作同步進行；
[0068]高速振鏡定位于單色變倍率鏡頭后面，用以輸出正弦光強靶標圖像投影。
[0069]在下列系統上實現，所述系統包括激光器、光束整形系統、矩形光柵或者正弦光柵、單色傅立葉變換透鏡、頻譜選擇器、波片、單色變倍率鏡頭、精密絲杠、精密導軌、高速振鏡、高清高速攝像機、AUV水密艙a、AUV水密艙b、計算機及軟件分析系統、數據存儲器、無線發射器、同步通信控制系統:
[0070]光束整形系統位于激光器的后面對激光束擴束、準直、整形；矩形光柵位于光束整形系統的后面，并使矩形光柵定位在單色傅立葉變換透鏡的前焦平面上；波片及頻譜選擇器位于單色傅立葉變換透鏡的后焦平面上，并定位于單色變倍率鏡頭的前焦平面上；高速振鏡位于單色變倍率鏡頭后面，用以大幅度擴大視場范圍；上述元器件全部位于精密絲杠和精密導軌上，并置于AUV水密艙a中；
[0071]高清高速攝像機以及計算機及軟件分析系統、數據存儲器、無線發射器置于AUV水密艙b中；計算機及軟件分析系統對高清高速攝像機獲取的圖像進行識別判斷，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器中，便于適時讀取；無線發射器實時，或者適時將數據通過無線方式，傳輸至水面、空中，或者陸地基站；
[0072]AUV水密艙a和AUV水密艙b的相對位置，構成測量基線，根據三角形定位原理，需要根據目標的距離確定；距離比較遠的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b構成的測量基線要遠一些；測量距離比較近的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b，可以合二為一，內部功能區域需要劃分為正弦光強靶標投影輸出區和高速攝像、存儲分析及信號發射區；同步通信控制系統實現正弦光強靶標的投影輸出和拍攝動作同步進行；
[0073]同步通信控制系統實現投影輸出和拍攝動作同步進行。
[0074]三維成像過程如下:a.首先調整激光器、光束整形系統、矩形光柵或者正弦光柵、單色傅立葉變換透鏡、頻譜選擇器、波片、單色變倍率鏡頭、高速振鏡等器件置于精密絲杠和精密導軌上；并全部置于AUV水密艙a中，整個光路系統均按照同軸等高原則；計算機及軟件分析系統、數據存儲器和無線發射器置于AUV水密艙a中；安裝調試計算機及軟件處理系統、數據存儲器、無線發射器和同步通信控制系統；
[0075]b.激光器選擇圓光斑輸出的單模激光器，便于波面測量及補償，及單色傅立葉變換透鏡、波片、單色變倍率鏡頭的單色匹配設計；當選擇不同波長的激光器時，需要對應設計相匹配的單色傅立葉變換透鏡、波片、單色變倍率鏡頭；
[0076]c.光束整形系統，采用激光擴束器設計方式，降低入射到矩形光柵的功率密度，降低光柵損傷，便于提高激光器的功率；激光束腰位置的小孔，要求優于微米級的圓度，且無毛刺；
[0077]d.矩形光柵，要求占空比不等于1: 1，便利使用I級、2級及3級頻譜，充分利用其倍頻關系，快速提高空間頻率；為方便測試，矩形光柵也可方便的更換為正弦光柵，以及其他透明的圖像靶標，此時，去掉頻譜選擇器即可；
[0078]e.單色傅立葉變換透鏡和單色變倍率鏡頭，均需配合激光器的波長設計，實現空間光學傅里葉變換，同時兼顧孔徑和視場要求；
[0079]f.頻譜選擇器，包括電、磁或光尋址空間光調制器、數字式微反射鏡器件、機械式小孔均可，以方便選擇I級、2級及3級頻譜，并對零級頻譜略有衰減即可；在不使用矩形光柵，以及不需要頻譜選擇的條件下，可去掉；
[0080]g.波片，配合激光器的波長選擇波長，放置在零級頻譜位置，配合選擇I級、2級及3級頻譜，對應選擇1/4波片或1/2波片，將零級頻譜耦合進I級、2級或3級頻譜，提高輸出正弦光強靶標的對比度，有效利用零級頻譜能量；
[0081]h.高速振鏡，大幅度擴大視場范圍，高速振鏡定位于單色變倍率鏡頭后面，用以輸出正弦光強靶標圖像投影；
[0082]1.AUV水密艙a保護激光器、光束整形系統、矩形光柵、單色傅立葉變換透鏡、頻譜選擇器、波片、單色變倍率鏡頭、高速振鏡等器件采用藍寶石耐壓窗口，輸出正弦光強靶標圖像；
[0083]j.高清高速攝像機采集經待測水下目標反射的變形圖像，并傳輸至計算機及軟件處理系統；
[0084]k.AUV水密艙b保護高清高速攝像機、計算機及軟件分析系統、數據存儲器和無線發射器等器件采用藍寶石耐壓窗口，接收變形圖像；
[0085]1.測量距離比較近的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b，合二為一，內部功能區域需要劃分為正弦光強靶標投影輸出區和高速攝像、存儲分析及信號發射區，配合正弦光強靶標圖像輸出和接收變形圖像，采用2塊藍寶石耐壓窗口 ；
[0086]m.計算機及軟件處理系統接收高清高速攝像機采集的變形圖像，并進行相應的圖像、圖形計算，完成對待測水下目標的三維成像及模式識別處理，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器中，便于適時讀取；
[0087]η.無線發射器實時或者適時將探測數據及分析結果通過無線方式，傳輸至水面、空中，或者陸地基站；
[0088]ο.同步通信控制系統控制實現正弦光強靶標的投影輸出和拍攝動作同步進行，可采用聲吶通信，近距離可采用藍綠激光通信。
[0089]總之，該方法是利用空間光學傅里葉分析方法，產生正弦光強靶標輸出，投影至水下目標表面，測量獲得變形光柵條紋，輔以計算機三維成像及模式識別分析，獲得水下目標三維立體像及模式特征；若為水下高速目標，高速振鏡大視場掃描配合高清高速攝像機實現動態三維過程捕捉。
[0090]本發明的優點是:本發明針對【背景技術】中矩形光柵的精確制作問題，頻率填充，零級頻譜能量利用率低，通用鏡頭選擇，以及測量視場受限等問題。本發明使用占空比精確制造的矩形光柵空間分頻，同級次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉移到奇數次頻譜，提高高空間頻率正弦圖像靶標的對比度，結合針對單一波長設計的單色專用鏡頭，有效降低波像差，通過對輸出波面的標定，實現從低頻到高頻，高對比度，像場修正便捷，適合大視場范圍測量的正弦光強靶標圖像連續輸出；矩形光柵也可方便的更換為正弦光柵；使用高清高速攝像機，方便水下高速運動目標及高速動態過程的三維立體測量；使用動力船、AUV、浮標或潛標的搭載方式，方便對于水下目標探測成像；本發明主要適用于水下高精度的所有靜態及高速運動目標和高速動態過程的三維探測，如:水下地形、地貌、水下考古、壩體裂紋和滲流、水下搜救、水下管線、高速水下航行器、湍流、螺旋槳動態工作過程等。
[0091]如圖所示，用于實現本發明所述方法的成像系統包括激光器1、光束整形系統2、矩形光柵3 (或者正弦光柵)、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7、精密絲杠8-1和精密導軌8-2、高速振鏡9、待測水下目標10、高清高速攝像機IUAUV水密艙al2、AUV水密艙bl3、計算機及軟件分析系統14、數據存儲器15、無線發射器16、同步通信控制系統17。光束整形系統2位于激光器I的后面，對激光束擴束、準直、整形；矩形光柵3位于光束整形系統2的后面，并使矩形光柵定位在單色傅立葉變換透鏡4的前焦平面上；波片6及頻譜選擇器5位于單色傅立葉變換透鏡4的后焦平面上，并定位于單色變倍率鏡頭7的前焦平面上；高速振鏡9位在單色變倍率鏡頭7后面，用以大幅度擴大視場范圍；上述元器件全部位于精密絲杠8-1和精密導軌8-2上，并置于AUV水密艙al2中，AUV水密艙al2設計藍寶石耐壓窗口 ；高清高速攝像機11以及計算機及軟件分析系統14、數據存儲器15、無線發射器16等置于AUV水密艙bl3中，AUV水密艙bl3設計藍寶石耐壓窗口，計算機及軟件分析系統14對高清高速攝像機11獲取的圖像進行識別判斷，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器15中，便于適時讀取；無線發射器16實時，或者適時將數據通過無線方式，傳輸至水面、空中，或者陸地基站；AUV水密艙al2和AUV水密艙bl3的相對位置，構成測量基線，根據三角形定位原理，需要根據目標的距離確定；距離比較遠的情況下，AUV水密艙al2和AUV水密艙bl3構成的測量基線要遠一些；測量距離比較近的情況下，AUV水密艙al2和AUV水密艙bl3，可以合二為一，內部功能區域需要劃分為正弦光強靶標投影輸出區和高速攝像、存儲分析及信號發射區；同步通信控制系統17實現正弦光強靶標的投影輸出和拍攝動作同步進行。
[0092]精密絲杠和精密導軌上的元器件綜合功能是利用波片、矩形光柵、濾光片及光學空間濾波器，進行空間分頻、合成，產生任意空間頻率的二維正弦光強靶標結構光。
[0093]所述二維正弦光強靶標的結構光使用占空比精確控制制造的矩形光柵，進行空間分頻，結合頻譜選擇器，同級次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉移到奇數次頻譜，提高高空間頻率正弦圖像靶標的對比度，結合針對單一波長設計的單色專用鏡頭，有效降低波像差;
[0094]通過對輸出波面的標定，實現從低頻到高頻，高對比度，像場修正便捷，適合大視場范圍測量的正弦光強靶標圖像連續輸出。
[0095]采用可直接進行小范圍投影測量的平行光投影輸出正弦光強靶標圖像；中等視場使用單色變倍率鏡頭輸出小角度非平行光正弦光強靶標圖像實現；大視場，則調整單色變倍率鏡頭，輸出大角度非平行光正弦光強靶標圖像實現；或者使用高速振鏡，大幅度擴大視場范圍；
[0096]采用平行光投影輸出正弦光強靶標圖像，可直接進行小范圍投影測量；中等視場，使用單色變倍率鏡頭7輸出小角度非平行光正弦光強靶標圖像，即可實現；大視場測量，調整單色變倍率鏡頭7，輸出大角度非平行光正弦光強靶標圖像，可以實現；或者，使用高速振鏡9，大幅度擴大視場范圍，高速振鏡9定位于單色變倍率鏡頭7后面，用以輸出正弦光強靶標圖像投影。
[0097]當采用本發明系統對水下目標進行三維成像時:a.首先調整激光器1、光束整形系統2、矩形光柵3、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7、高速振鏡9等器件置于精密絲杠8-1和精密導軌8-2上；并全部置于AUV水密艙al2中，整個光路系統均按照同軸等高原則調整；計算機及軟件分析系統14、數據存儲器15和無線發射器16置于AUV水密艙al3中；如圖1位置配置，安裝調試計算機及軟件處理系統14、數據存儲器15、無線發射器16和同步通信控制系統17 ;
[0098]b.激光器I選擇圓光斑輸出的單模激光器，便于波面測量及補償，及單色傅立葉變換透鏡4、波片6、單色變倍率鏡頭7的單色匹配設計。當選擇不同波長的激光器時，需要對應設計相匹配的單色傅立葉變換透鏡4、波片6、單色變倍率鏡頭7 ;
[0099]c.光束整形系統2，采用激光擴束器設計方式，降低入射到矩形光柵3的功率密度，降低光柵損傷，便于提高激光器I的功率；激光束腰位置的小孔，要求優于微米級的圓度，且無毛刺；
[0100]d.矩形光柵3，要求占空比不等于1: 1，便利使用I級、2級及3級頻譜，充分利用其倍頻關系，快速提高空間頻率；為方便測試，矩形光柵也可方便的更換為正弦光柵，以及其他透明的圖像靶標，此時，去掉頻譜選擇器5即可；
[0101]e.單色傅立葉變換透鏡4和單色變倍率鏡頭7，均需配合激光器I的波長設計，實現空間光學傅里葉變換，同時兼顧孔徑和視場要求；
[0102]f.頻譜選擇器5，包括電、磁或光尋址空間光調制器(SLM)、數字式微反射鏡器件(DMD)、機械式小孔均可，以方便選擇I級、2級及3級頻譜，并對零級頻譜略有衰減即可；在不使用矩形光柵3，以及不需要頻譜選擇的條件下，可去掉；
[0103]g.波片6，配合激光器I的波長選擇波長，放置在零級頻譜位置，配合選擇I級、2級及3級頻譜，對應選擇1/4波片或1/2波片，將零級頻譜耦合進I級、2級或3級頻譜，提高輸出正弦光強靶標的對比度，有效利用零級頻譜能量；
[0104]h.高速振鏡9，大幅度擴大視場范圍，高速振鏡9定位于單色變倍率鏡頭7后面，用以輸出正弦光強靶標圖像投影；
[0105]1.AUV水密艙al2，保護激光器1、光束整形系統2、矩形光柵3、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7、高速振鏡9等器件，設計藍寶石耐壓窗口，輸出正弦光強靶標圖像；
[0106]j.高清高速攝像機11采集經待測水下目標10反射的變形圖像，并傳輸至計算機及軟件處理系統14 ；
[0107]k.AUV水密艙bl3，保護高清高速攝像機11、計算機及軟件分析系統14、數據存儲器15和無線發射器16等器件，設計藍寶石耐壓窗口，接收變形圖像；
[0108]1.測量距離比較近的情況下，AUV水密艙al2和AUV水密艙bl3，合二為一，內部功能區域需要劃分為正弦光強靶標投影輸出區和高速攝像、存儲分析及信號發射區，配合正弦光強靶標圖像輸出和接收變形的正弦光強靶標圖像，設計2塊藍寶石耐壓窗口 ；
[0109]m.計算機及軟件處理系統14，接收高清高速攝像機11采集的變形圖像，并進行相應的圖像、圖形計算，完成對待測水下目標10的三維成像及模式識別處理，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器15中，便于適時讀取；
[0110]η.無線發射器16，實時，或者適時將探測數據及分析結果通過無線方式，傳輸至水面、空中，或者陸地基站；
[0111]0.同步通信控制系統17，控制實現正弦光強靶標的投影輸出和拍攝動作同步進行，可采用聲吶通信，近距離可采用藍綠激光通信。
[0112]其是針對【背景技術】中激光束點掃描的脈沖激光測深儀，每次單個點記錄，激光束線掃描技術，每次記錄一行，這兩類技術效率普遍較低的問題。本發明使用占空比精確控制制造的矩形光柵，進行空間分頻，結合頻譜選擇器，同級次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉移到奇數次頻譜，提高高空間頻率正弦圖像靶標的對比度，結合針對單一波長設計的單色專用鏡頭，有效降低波像差；通過對輸出波面的標定，實現從低頻到高頻，高對比度，像場修正便捷，適合大視場范圍測量的正弦光強靶標圖像連續輸出；矩形光柵也可方便的更換為正弦光柵；使用輸出二維正弦光強靶標的結構光，進行投影探測，大幅度提高掃描范圍和掃描效率；使用動力船、AUV、浮標或潛標的搭載方式，方便對于水下目標探測成像。屬于結構光水下探測成像領域，涉及利用波片、矩形光柵或正弦光柵、濾光片及光學空間濾波器，進行空間分頻、合成，產生任意空間頻率的二維正弦光強靶標結構光，結合高清高速攝像機以及AUV水密艙結構，使用動力船、AUV、深潛器、浮標或潛標的搭載方式，對水下目標，使用二維正弦光強靶標的正弦光強靶標投影探測成像的方法和裝置。
[0113]光束整形系統位于激光器的后面，對激光束擴束、準直、整形；矩形光柵位于光束整形系統的后面，并使矩形光柵定位在單色傅立葉變換透鏡的前焦平面上；波片及頻譜選擇器位于單色傅立葉變換透鏡的后焦平面上，并定位于單色變倍率鏡頭的前焦平面上；上述元器件全部位于精密絲杠和精密導軌組上，并置于AUV水密艙a中，AUV水密艙a設計藍寶石耐壓窗口 ；高清高速攝像機，以及計算機及軟件分析系統、數據存儲器、無線發射器等置于AUV水密艙b中，AUV水密艙b設計藍寶石耐壓窗口，計算機及軟件分析系統對高清高速攝像機獲取的圖像進行識別判斷，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器中，便于適時讀取；無線發射器實時，或者適時將數據通過無線方式，傳輸至水面、空中，或者陸地基站；AUV水密艙a和AUV水密艙b的相對位置，構成測量基線，根據三角形定位原理，需要根據目標的距離確定，距離比較遠的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b構成的測量基線要遠一些；測量距離比較近的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b，可以合二為一，內部功能區域需要劃分為正弦光強靶標投影輸出區和高速攝像、存儲分析及信號發射區；同步通信控制系統實現正弦光強靶標的投影輸出和拍攝動作同步進行。
[0114]本發明的優點是:本發明針對【背景技術】中矩形光柵的精確制作問題，頻率填充，零級頻譜能量利用率低，通用鏡頭選擇，以及測量視場受限等問題。本發明使用占空比精確制造的矩形光柵空間分頻，同級次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉移到奇數次頻譜，提高高空間頻率正弦圖像靶標的對比度，結合針對單一波長設計的單色專用鏡頭，有效降低波像差，通過對輸出波面的標定，實現從低頻到高頻，高對比度，像場修正便捷，適合大視場范圍測量的正弦光強靶標圖像連續輸出；矩形光柵也可方便的更換為正弦光柵；使用高清高速攝像機，方便水下高速運動目標及高速動態過程的三維立體測量；使用動力船、AUV、浮標或潛標的搭載方式，方便對于水下目標探測成像；本發明主要適用于水下高精度的所有靜態及高速運動目標和高速動態過程的三維探測，如:水下地形、地貌、水下考古、壩體裂紋和滲流、水下搜救、水下管線、高速水下航行器、湍流、螺旋槳動態工作過程等。
【主權項】
1.一種水下靜止及高速移動目標三維成像方法，其特征在于利用投影輸出二維正弦光強靶標圖像對水下目標照射的同時，再利用高清高速攝像機對所述被照射水下目標變形圖像同步采集，計算機及軟件處理系統將采集的變形圖像進行相應的圖像、圖形計算，完成對待測水下目標的三維成像及模式識別處理，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器中，便于適時讀取或者適時將數據通過無線方式，傳輸至水面、空中，或者陸地基站； 激光束是利用波片、矩形光柵、濾光片及光學空間濾波器，進行空間分頻、合成，產生任意空間頻率的二維正弦光強靶標結構光。2.根據權利要求1所述成像方法，其特征在于所述二維正弦光強靶標的結構光使用占空比精確控制制造的矩形光柵，進行空間分頻，結合頻譜選擇器，同級次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉移到奇數次頻譜，提高高空間頻率正弦光強靶標的對比度，結合針對單一波長設計的單色專用鏡頭，有效降低波像差； 通過對輸出波面的標定，實現從低頻到高頻，高對比度，像場修正便捷，適合大視場范圍測量的正弦光強靶標圖像連續輸出。3.根據權利要求1所述成像方法，其特征在于采用可直接進行小范圍投影測量的平行光投影輸出正弦光強靶標圖像；中等視場使用單色變倍率鏡頭輸出小角度非平行光正弦光強靶標圖像實現；大視場，則調整單色變倍率鏡頭，輸出大角度非平行光正弦光強靶標圖像實現；或者使用高速振鏡，大幅度擴大視場范圍； 高速振鏡定位于單色變倍率鏡頭后面，用以輸出正弦光強靶標圖像投影。4.根據權利要求1所述成像方法，其特征在于在下列系統上實現，所述系統包括激光器、光束整形系統、矩形光柵或者正弦光柵、單色傅立葉變換透鏡、頻譜選擇器、波片、單色變倍率鏡頭、精密絲杠、精密導軌、高速振鏡、高清高速攝像機、AUV水密艙a、AUV水密艙b、計算機及軟件分析系統、數據存儲器、無線發射器、同步通信控制系統: 光束整形系統位于激光器的后面對激光束擴束、準直、整形；矩形光柵位于光束整形系統的后面，并使矩形光柵定位在單色傅立葉變換透鏡的前焦平面上；波片及頻譜選擇器位于單色傅立葉變換透鏡的后焦平面上，并定位于單色變倍率鏡頭的前焦平面上；高速振鏡位于單色變倍率鏡頭后面，用以大幅度擴大視場范圍；上述元器件全部位于精密絲杠和精密導軌上，并置于AUV水密艙a中； 高清高速攝像機以及計算機及軟件分析系統、數據存儲器、無線發射器置于AUV水密艙b中；計算機及軟件分析系統對高清高速攝像機獲取的圖像進行識別判斷，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器中，便于適時讀取；無線發射器實時，或者適時將數據通過無線方式，傳輸至水面、空中，或者陸地基站； AUV水密艙a和AUV水密艙b的相對位置，構成測量基線，根據三角形定位原理，需要根據目標的距離確定；距離比較遠的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b構成的測量基線要遠一些；測量距離比較近的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b，可以合二為一，內部功能區域需要劃分為正弦光強靶標投影輸出區和高速攝像、存儲分析及信號發射區；同步通信控制系統實現正弦光強靶標的投影輸出和拍攝動作同步進行； 同步通信控制系統實現投影輸出和拍攝動作同步進行。5.根據權利要求1-4任意所述成像方法，其特征在于水下三維成像過程如下: a.首先調整激光器、光束整形系統、矩形光柵或者正弦光柵、單色傅立葉變換透鏡、頻譜選擇器、波片、單色變倍率鏡頭、高速振鏡等器件置于精密絲杠和精密導軌上；并全部置于AUV水密艙a中，整個光路系統均按照同軸等高原則；計算機及軟件分析系統、數據存儲器和無線發射器置于AUV水密艙a中；安裝調試計算機及軟件處理系統、數據存儲器、無線發射器和同步通信控制系統； b.激光器選擇圓光斑輸出的單模激光器，便于波面測量及測量，及單色傅立葉變換透鏡、波片、單色變倍率鏡頭的單色匹配設計；當選擇不同波長的激光器時，需要對應設計相匹配的單色傅立葉變換透鏡、波片、單色變倍率鏡頭； c.光束整形系統，采用激光擴束器設計方式，降低入射到矩形光柵的功率密度，降低光柵損傷，便于提高激光器的功率；激光束腰位置的小孔，要求優于微米級的圓度，且無毛刺； d.矩形光柵，要求占空比不等于1: 1，便利使用I級、2級及3級頻譜，充分利用其倍頻關系，快速提高空間頻率；為方便測試，矩形光柵也可方便的更換為正弦光柵，以及其他透明的圖像靶標，此時，去掉頻譜選擇器即可； e.單色傅立葉變換透鏡和單色變倍率鏡頭，均需配合激光器的波長設計，實現空間光學傅里葉變換，同時兼顧孔徑和視場要求； f.頻譜選擇器，包括電、磁或光尋址空間光調制器、數字式微反射鏡器件、機械式小孔均可，以方便選擇I級、2級及3級頻譜，并對零級頻譜略有衰減即可；在不使用矩形光柵，以及不需要頻譜選擇的條件下，可去掉； g.波片，配合激光器的波長選擇波長，放置在零級頻譜位置，配合選擇I級、2級及3級頻譜，對應選擇1/4波片或1/2波片，將零級頻譜耦合進I級、2級或3級頻譜，提高輸出正弦光強靶標的對比度，有效利用零級頻譜能量； h.高速振鏡，大幅度擴大視場范圍，高速振鏡定位于單色變倍率鏡頭后面，用以輸出正弦光強靶標圖像投影；i.AUV水密艙a保護激光器、光束整形系統、矩形光柵、單色傅立葉變換透鏡、頻譜選擇器、波片、單色變倍率鏡頭、高速振鏡等器件采用藍寶石耐壓窗口，輸出正弦光強靶標圖像； j.高清高速攝像機采集經待測水下目標反射的變形圖像，并傳輸至計算機及軟件處理系統； k.AUV水密艙b保護高清高速攝像機、計算機及軟件分析系統、數據存儲器和無線發射器等器件采用藍寶石耐壓窗口，接收變形圖像； l.測量距離比較近的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b，合二為一，內部功能區域需要劃分為正弦光強靶標投影輸出區和高速攝像、存儲分析及信號發射區，配合正弦光強靶標圖像輸出和接收變形圖像，采用2塊藍寶石耐壓窗口 ； m.計算機及軟件處理系統接收高清高速攝像機采集的變形圖像，并進行相應的圖像、圖形計算，完成對待測水下目標的三維成像及模式識別處理，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器中，便于適時讀取； η.無線發射器實時或者適時將探測數據及分析結果通過無線方式，傳輸至水面、空中，或者陸地基站； o.同步通信控制系統控制實現正弦光強靶標的投影輸出和拍攝動作同步進行，可采用聲吶通信，近距離可采用藍綠激光通信。6.一種用于實現權利要求1所述方法的成像系統，其特征在于包括激光器、光束整形系統、矩形光柵或者正弦光柵、單色傅立葉變換透鏡、頻譜選擇器、波片、單色變倍率鏡頭、精密絲杠、精密導軌、高速振鏡、高清高速攝像機、AUV水密艙a、AUV水密艙b、計算機及軟件分析系統、數據存儲器、無線發射器、同步通信控制系統: 光束整形系統位于激光器的后面對激光束擴束、準直、整形；矩形光柵位于光束整形系統的后面，并使矩形光柵定位在單色傅立葉變換透鏡的前焦平面上；波片及頻譜選擇器位于單色傅立葉變換透鏡的后焦平面上，并定位于單色變倍率鏡頭的前焦平面上；高速振鏡位于單色變倍率鏡頭后面，用以大幅度擴大視場范圍；上述元器件全部位于精密絲杠和精密導軌上，并置于AUV水密艙a中； 高清高速攝像機以及計算機及軟件分析系統、數據存儲器、無線發射器置于AUV水密艙b中；計算機及軟件分析系統對高清高速攝像機獲取的圖像進行識別判斷，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器中，便于適時讀取；無線發射器實時，或者適時將數據通過無線方式，傳輸至水面、空中，或者陸地基站； 同步通信控制系統實現投影輸出和拍攝動作同步進行。7.根據權利要求6所述成像系統，其特征在于AUV水密艙a和AUV水密艙b的相對位置，構成測量基線，根據三角形定位原理，需要根據目標的距離確定； 距離比較遠的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b構成的測量基線要遠一些；測量距離比較近的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b，可以合二為一，內部功能區域需要劃分為正弦光強靶標投影輸出區和高速攝像、存儲分析及信號發射區；同步通信控制系統實現正弦光強靶標的投影輸出和拍攝動作同步進行； 精密絲杠和精密導軌上的元器件綜合功能是利用波片、矩形光柵、濾光片及光學空間濾波器，進行空間分頻、合成，產生任意空間頻率的二維正弦光強靶標結構光。8.根據權利要求7所述成像系統，其特征在所述二維正弦光強靶標的結構光使用占空比精確控制制造的矩形光柵，進行空間分頻，結合頻譜選擇器，同級次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉移到奇數次頻譜，提高高空間頻率正弦光強靶標的對比度，結合針對單一波長設計的單色專用鏡頭，有效降低波像差； 通過對輸出波面的標定，實現從低頻到高頻，高對比度，像場修正便捷，適合大視場范圍測量的正弦光強靶標圖像連續輸出。9.根據權利要求7所述成像系統，其特征在于采用可直接進行小范圍投影測量的平行光投影輸出正弦光強靶標圖像；中等視場使用單色變倍率鏡頭輸出小角度非平行光正弦光強靶標圖像實現；大視場，則調整單色變倍率鏡頭，輸出大角度非平行光正弦光強靶標圖像實現；或者使用高速振鏡，大幅度擴大視場范圍； 高速振鏡定位于單色變倍率鏡頭后面，用以輸出正弦光強靶標圖像投影。10.根據權利要求6-9任一所述成像系統，其特征在于經過如下步驟進行三維成像: a.首先調整激光器、光束整形系統、矩形光柵或者正弦光柵、單色傅立葉變換透鏡、頻譜選擇器、波片、單色變倍率鏡頭、高速振鏡等器件置于精密絲杠和精密導軌上；并全部置于AUV水密艙a中，整個光路系統均按照同軸等高原則；計算機及軟件分析系統、數據存儲器和無線發射器置于AUV水密艙a中；安裝調試計算機及軟件處理系統、數據存儲器、無線發射器和同步通信控制系統； b.激光器選擇圓光斑輸出的單模激光器，便于波面測量及補償，及單色傅立葉變換透鏡、波片、單色變倍率鏡頭的單色匹配設計；當選擇不同波長的激光器時，需要對應設計相匹配的單色傅立葉變換透鏡、波片、單色變倍率鏡頭； C.光束整形系統，采用激光擴束器設計方式，降低入射到矩形光柵的功率密度，降低光柵損傷，便于提高激光器的功率；激光束腰位置的小孔，要求優于微米級的圓度，且無毛刺； d.矩形光柵，要求占空比不等于1: 1，便利使用I級、2級及3級頻譜，充分利用其倍頻關系，快速提高空間頻率；為方便測試，矩形光柵也可方便的更換為正弦光柵，以及其他透明的圖像靶標，此時，去掉頻譜選擇器即可； e.單色傅立葉變換透鏡和單色變倍率鏡頭，均需配合激光器的波長設計，實現空間光學傅里葉變換，同時兼顧孔徑和視場要求； f.頻譜選擇器，包括電、磁或光尋址空間光調制器、數字式微反射鏡器件、機械式小孔均可，以方便選擇I級、2級及3級頻譜，并對零級頻譜略有衰減即可；在不使用矩形光柵，以及不需要頻譜選擇的條件下，可去掉； g.波片，配合激光器的波長選擇波長，放置在零級頻譜位置，配合選擇I級、2級及3級頻譜，對應選擇1/4波片或1/2波片，將零級頻譜耦合進I級、2級或3級頻譜，提高輸出正弦光強靶標的對比度，有效利用零級頻譜能量； h.高速振鏡，大幅度擴大視場范圍，高速振鏡定位于單色變倍率鏡頭后面，用以輸出正弦光強靶標圖像投影；i.AUV水密艙a保護激光器、光束整形系統、矩形光柵、單色傅立葉變換透鏡、頻譜選擇器、波片、單色變倍率鏡頭、高速振鏡等器件采用藍寶石耐壓窗口，輸出正弦光強靶標圖像； j.高清高速攝像機采集經待測水下目標反射的變形圖像，并傳輸至計算機及軟件處理系統； k.AUV水密艙b保護高清高速攝像機、計算機及軟件分析系統、數據存儲器和無線發射器等器件采用藍寶石耐壓窗口，接收變形圖像； l.測量距離比較近的情況下，AUV水密艙a和AUV水密艙b，合二為一，內部功能區域需要劃分為正弦光強靶標投影輸出區和高速攝像、存儲分析及信號發射區，配合正弦光強靶標圖像輸出和接收變形圖像，采用2塊藍寶石耐壓窗口 ； m.計算機及軟件處理系統接收高清高速攝像機采集的變形圖像，并進行相應的圖像、圖形計算，完成對待測水下目標的三維成像及模式識別處理，并將數據及分析結果存儲于數據存儲器中，便于適時讀取； n.無線發射器實時或者適時將探測數據及分析結果通過無線方式，傳輸至水面、空中，或者陸地基站； l.同步通信控制系統控制實現正弦光強靶標的投影輸出和拍攝動作同步進行，可采用聲吶通信，近距離可采用藍綠激光通信。
【文檔編號】G01B11/25GK105890544SQ201410757223
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月10日
【發明人】李宏升, 岳軍, 鄧劍平, 陳冰泉, 李延娥
【申請人】青島理工大學