一种可变激光条纹的水下激光三维扫描系统及方法

1.本发明涉及水下三维扫描领域的一种水下激光三维扫描系统及方法，具体涉及一种可变激光条纹的水下激光三维扫描系统及方法。


背景技术：

2.水下激光三维扫描技术能够探测水下目标物的三维轮廓形貌，更直观地反应目标物的实际情况，在海洋工程安全检测、海底管道检测、海底资源勘探开发、水下考古等领域有着巨大的技术优势，是海洋智能化、信息化的重要手段。
3.然而面对不同的水下环境需要不同的激光扫描条纹以平衡激光的扫描效率和探测距离。由于激光发射器的总功率固定，像面上激光条纹面积越大，其覆盖目标物越多从而扫描效率越高，但激光条纹的单位面积能量也越小，在浑浊水下的穿透能力也越弱，探测距离越小。因此多线激光条纹和网格激光条纹适合低浑浊水域，点阵激光和单线激光适合高浑浊水域。
4.针对水下激光三维扫描，专利cn107907048a公开了一种基于线结构光扫描的双目立体视觉三维测量方法，其提出了一种基于线激光的三维扫描系统。专利cn112284294a公开了一种水下多波段交叉线阵激光三维扫描系统，其提出了一种基于交叉线阵激光的三维扫描系统。专利cn113534183a公开了一种基于十字线扫描的水下三维扫描装置，其提出了一种基于十字线激光的水下三维扫描装置。但是以上方法都只是单一模式的固定激光条纹，难以适用于多样的水下环境。


技术实现要素：

5.本发明针对上述现有水下三维扫描存在的环境适用性差的问题，提出了一种可变激光条纹的水下激光三维扫描系统及方法，利用不同的衍射光学元件和转轮，可以针对不同水下环境发射不同的激光条纹，有效地利用激光能量，提高激光扫描系统的扫描效率和探测距离，再结合图像处理算法，实现水下目标物三维扫描。对环境的适应性和适用性也更强，具有十分重要的工程价值与现实意义。
6.为实现上述技术功能，本发明采用如下技术方案：
7.一、一种可变激光条纹的水下激光三维扫描系统
8.包括：
9.水下激光发射单元，用于生成不同形状和分布的光斑或条纹；
10.水下成像单元，用于采集目标物表面覆盖所述光斑或条纹的图像序列；
11.控制单元，用于接收所述图像序列，并且根据图像序列计算获得目标物表面各点与水下成像单元的相对坐标，再结合所述控制单元获取的惯导数据与所述相对坐标，计算得到目标物表面的三维空间坐标；
12.密封舱，水下激光发射单元、水下成像单元和控制单元均设置在所述密封舱内。
13.所述的水下激光发射单元包括点激光器、准直镜、转轮、衍射光学元件、转轮驱动
结构和旋转角度检测机构；
14.转轮与转轮驱动结构相连，转轮驱动结构与旋转角度检测机构相连，转轮驱动结构、旋转角度检测机构和点激光器与控制单元相连，转轮上安装有多个衍射光学元件，多个衍射光学元件沿圆周间隔布置，点激光器中出射的激光经准直镜和其中一个衍射光学元件后从密封舱中出射。
15.所述多个衍射光学元件为不同种类的衍射光学元件。
16.所述衍射光学元件为使激光器投射线激光、十字线激光、激光点阵、多线激光、多环激光和网格激光图案的光学元件。
17.所述水下成像单元包括光学镜头、液晶可调谐滤光片和相机；光学镜头、液晶可调谐滤光片和相机依次布置在同一光轴上，液晶可调谐滤光片和相机均与控制单元相连，光学镜头布置在密封舱的出口处。
18.所述控制单元包括存储模块、电源模块和微型工控机；所述微型工控机与所述水下激光发射单元相连，用于控制发射不同条纹的激光；所述微型工控机还与所述水下成像单元相连，用于控制拍摄和接收图像序列；
19.所述存储模块与所述微型工控机相连；所述微型工控机与所述水下激光发射单元和所述电源模块相连。
20.所述水下激光发射单元、所述水下成像单元、所述控制单元安装在一个所述密封舱内或所述水下激光发射单元、所述水下成像单元、所述控制单元分开安装在多个所述密封舱内。
21.所述密封舱包括金属圆筒、前端盖和后端盖，金属圆筒与前端盖、后端盖之间通过o形圈连接。
22.二、一种可变激光条纹的水下激光三维扫描方法
23.采用所述的可变激光条纹的水下激光三维扫描系统，方法包括以下步骤：
24.s1：将水下激光三维扫描系统置于水下目标物附近水域，根据不同水体浑浊程度和水下目标物的特征选择最佳的激光条纹模式，同时载体的上位机向控制单元发送扫描指令；
25.s2：控制单元通过旋转水下激光发射单元的转轮设定水下激光发射单元的激光条纹模式，由水下激光发射单元发射激光，激光束依次透过准直镜和转轮上的衍射光学元件在像面上形成目标条纹的光束；
26.s3：水下成像单元进行水下图像拍摄并将图像数据传至控制单元；
27.s4：控制单元实时处理图像数据，具体是对图像数据进行增强处理，再基于增强后的图像数据提取激光的光点坐标数据，然后基于激光三角测量原理，根据激光的光点坐标数据计算得到目标物表面的三维空间坐标并实时上传至上位机；
28.s5：检测当前水体浑浊度和水下目标物的特征，判断是否需要改变激光条纹模式，重复s2～s4，继续对目标物全貌进行扫描，直至得到目标物表面三维信息。
29.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
30.本发明利用不同的衍射光学元件和转轮，可以针对不同水下环境发射不同的激光条纹，有效地利用激光能量，提高激光扫描系统的扫描效率和探测距离，对环境的适应性也更强，例如面对低浑浊水域采用线激光条纹或网格激光条纹以获得更大的扫描效率，面对
高浑浊水域采用点阵激光或单线激光提高浑水中的激光穿透能力；
31.本发明采用旋转角度检测机构对转轮的旋转角度进行检测，并与转轮驱动结构组成负反馈控制系统，提高了转轮系统的精度，便于更好的成像；
32.本发明的转轮中衍射光学元件可以自行选择或定制，以呈现各种激光条纹，且方便安装和更换，以获得更好的适用性；
33.本发明具有高精度、小体积的优点，适合水下安装布放和作业；
34.本发明采用激光三维扫描技术可直接获取所摄目标物对应三维空间信息，可得到高精度目标物实际尺寸。
35.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
36.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
37.图1是根据本发明实施例示出的一种可变激光条纹的水下激光三维扫描系统的整体结构示意图。
38.图2是根据本发明实施例示出的转轮的平面示意图。
39.图3是根据本发明实施例示出的通过不同衍射光学元件的激光束在成像面投射的不同的激光条纹示意图。
40.图4是根据本发明实施例示出的一种可变激光条纹的水下激光三维扫描方法的流程图。
41.图中：1.转轮；2.准直镜；3.旋转角度检测机构；4.转轮驱动结构；5.点激光器；6.光学镜头；7.液晶可调谐滤光片；8.相机；9.存储模块；10.电源模块；11.微型工控机；12.密封舱；13.安装槽；14.定位传感器；15.衍射光学元件。
具体实施方式
42.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
43.在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。下面对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施实例。
44.如图1和图2所示，水下激光三维扫描系统包括：
45.水下激光发射单元，用于生成不同形状和分布的光斑或条纹；由激光器发射点激光，透过转轮上的不同衍射光学元件在像面形成不同形状和分布的光斑或条纹进行目标物表面的扫描；
46.水下成像单元，用于采集目标物表面覆盖光斑或条纹的图像序列；
47.控制单元，用于接收图像序列，并且根据图像序列计算获得目标物表面各点与水
下成像单元的相对坐标，再结合控制单元获取的惯导数据与相对坐标，计算得到目标物表面的三维空间坐标；
48.密封舱12，水下激光发射单元、水下成像单元和控制单元均设置在密封舱内。
49.水下激光发射单元包括点激光器5、准直镜2、转轮1、衍射光学元件15、转轮驱动结构4和旋转角度检测机构3；
50.转轮1与转轮驱动结构4相连，转轮驱动结构4与旋转角度检测机构3相连，转轮驱动结构4、旋转角度检测机构3和点激光器5与控制单元的微型工控机11相连，转轮1上安装有多个衍射光学元件15，多个衍射光学元件15沿圆周等间隔布置，点激光器5中出射的激光经准直镜2和其中一个衍射光学元件15后从密封舱12的透明前端盖，中出射，点激光器5、准直镜2和当前衍射光学元件沿光轴依次布置。由转轮驱动结构4使转轮1旋转以切换不同的衍射光学元件15；由旋转角度检测机构3检测转轮1旋转角度并反馈控制转轮驱动结构4，以实现转轮的精准旋转。转轮安装在转轮驱动结构上，转轮由定位传感器和若干安装槽以及安装在安装槽中的衍射光学元件组成；定位传感器获取并向旋转角度检测机构传送转轮的角度信息。
51.多个衍射光学元件15为不同种类的衍射光学元件。准直激光束透过不同种类的衍射光学元件会变成可以在像面上形成不同光斑或条纹的光束，投射到目标物上形成不同光斑或条纹的光束。
52.水下成像单元包括光学镜头6、液晶可调谐滤光片7和相机8；光学镜头6、液晶可调谐滤光片7和相机8依次布置在同一光轴上，液晶可调谐滤光片7和相机8均与控制单元的微型工控机11相连，光学镜头6布置在密封舱12的出口处，相机8光轴与点激光器5平行。
53.控制单元包括存储模块9、电源模块10和微型工控机11；微型工控机11与水下激光发射单元的转轮驱动结构4、旋转角度检测机构3和点激光器5相连，用于控制发射不同条纹的激光；微型工控机11还与水下成像单元的液晶可调谐滤光片7和相机8相连，用于控制拍摄和接收图像序列；
54.存储模块9与微型工控机11相连，用于存储目标物表面三维信息等；微型工控机11与水下激光发射单元和电源模块10相连，用于控制激光条纹模式以及激光的功率。电源模块10为水下激光发射单元、水下成像单元、微型工控机11和存储模块9提供电力。
55.水下激光发射单元、水下成像单元、控制单元安装在一个密封舱12内或水下激光发射单元、水下成像单元、控制单元分开安装在多个密封舱12内。
56.进一步地，密封舱12包括金属圆筒、前端盖和后端盖，金属圆筒与前端盖、后端盖之间通过o形圈连接，实现静密封，后端盖上安装水密接插件，用于密封舱内部与外部实现信号传输或电力传输，前端盖上分布光学玻璃窗口使点激光器5发射的激光能达到目标物。
57.在本发明一实施例中，转轮1安装在转轮驱动结构4上，转轮1由定位传感器14和若干安装槽13以及安装在安装槽13中的衍射光学元件15组成；定位传感器14获取并向旋转角度检测机构3传送转轮1的角度信息。
58.进一步地，转轮1均匀安装有六个等尺寸等间距的衍射光学元件15，射光学元件15分别为将准直激光束分化为可以在像面上投射线激光、十字线激光、激光点阵、多线激光、多环激光和网格激光的光束，如图3的(a)-图3的(f)所示。
59.在另一实施例中，转轮1均匀安装有三个等尺寸等间距的衍射光学元件15，衍射光
学元件15分别为将准直激光束分化为可以在像面上投射散斑结构光、光栅结构光和线激光的光束。
60.如图4所示，方法包括以下步骤：
61.s1：将水下激光三维扫描系统置于水下目标物附近水域，根据不同水体浑浊程度和水下目标物的特征选择最佳的激光条纹模式，同时载体的上位机向控制单元发送扫描指令；
62.s2：控制单元通过旋转水下激光发射单元的转轮设定水下激光发射单元的激光条纹模式，由水下激光发射单元发射激光，激光束依次透过准直镜和转轮上的衍射光学元件在像面上形成目标条纹的光束；
63.s3：水下成像单元进行水下图像拍摄并将图像数据传至控制单元；
64.s4：控制单元实时处理图像数据，具体是对图像数据进行增强处理，再基于增强后的图像数据提取激光的光点坐标数据，然后基于激光三角测量原理，根据激光的光点坐标数据计算得到目标物表面的三维空间坐标并实时上传至上位机；
65.s5：检测当前水体浑浊度和水下目标物的特征，判断是否需要改变激光条纹模式，重复s2～s4，继续对目标物全貌进行扫描，直至得到目标物表面三维信息。
66.当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可变激光条纹的水下激光三维扫描系统，其特征在于，包括：水下激光发射单元，用于生成不同形状和分布的光斑或条纹；水下成像单元，用于采集目标物表面覆盖所述光斑或条纹的图像序列；控制单元，用于接收所述图像序列，并且根据图像序列计算获得目标物表面各点与水下成像单元的相对坐标，再结合所述控制单元获取的惯导数据与所述相对坐标，计算得到目标物表面的三维空间坐标；密封舱(12)，水下激光发射单元、水下成像单元和控制单元均设置在所述密封舱内。2.根据权利要求1所述的一种可变激光条纹的水下激光三维扫描系统，其特征在于，所述的水下激光发射单元包括点激光器(5)、准直镜(2)、转轮(1)、衍射光学元件(15)、转轮驱动结构(4)和旋转角度检测机构(3)；转轮(1)与转轮驱动结构(4)相连，转轮驱动结构(4)与旋转角度检测机构(3)相连，转轮驱动结构(4)、旋转角度检测机构(3)和点激光器(5)与控制单元相连，转轮(1)上安装有多个衍射光学元件(15)，多个衍射光学元件(15)沿圆周间隔布置，点激光器(5)中出射的激光经准直镜(2)和其中一个衍射光学元件(15)后从密封舱(12)中出射。3.根据权利要求2所述的一种可变激光条纹的水下激光三维扫描系统，其特征在于，所述多个衍射光学元件(15)为不同种类的衍射光学元件。4.根据权利要求2所述的一种可变激光条纹的水下激光三维扫描系统，其特征在于，所述衍射光学元件(15)为使激光器投射线激光、十字线激光、激光点阵、多线激光、多环激光和网格激光图案的光学元件。5.根据权利要求1所述的一种可变激光条纹的水下激光三维扫描系统，其特征在于，所述水下成像单元包括光学镜头(6)、液晶可调谐滤光片(7)和相机(8)；光学镜头(6)、液晶可调谐滤光片(7)和相机(8)依次布置在同一光轴上，液晶可调谐滤光片(7)和相机(8)均与控制单元相连，光学镜头(6)布置在密封舱(12)的出口处。6.根据权利要求1所述的一种可变激光条纹的水下激光三维扫描系统，其特征在于，所述控制单元包括存储模块(9)、电源模块(10)和微型工控机(11)；所述微型工控机(11)与所述水下激光发射单元相连，用于控制发射不同条纹的激光；所述微型工控机(11)还与所述水下成像单元相连，用于控制拍摄和接收图像序列；所述存储模块(9)与所述微型工控机(11)相连；所述微型工控机(11)与所述水下激光发射单元和所述电源模块(10)相连。7.根据权利要求1所述的一种可变激光条纹的水下激光三维扫描系统，其特征在于，所述水下激光发射单元、所述水下成像单元、所述控制单元安装在一个所述密封舱(12)内或所述水下激光发射单元、所述水下成像单元、所述控制单元分开安装在多个所述密封舱(12)内。8.根据权利要求1所述的一种可变激光条纹的水下激光三维扫描系统，其特征在于，所述密封舱(12)包括金属圆筒、前端盖和后端盖，金属圆筒与前端盖、后端盖之间通过o形圈连接。9.一种可变激光条纹的水下激光三维扫描方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一所述的可变激光条纹的水下激光三维扫描系统，方法包括以下步骤：s1：将水下激光三维扫描系统置于水下目标物附近水域，根据不同水体浑浊程度和水
下目标物的特征选择最佳的激光条纹模式，同时载体的上位机向控制单元发送扫描指令；s2：控制单元通过旋转水下激光发射单元的转轮设定水下激光发射单元的激光条纹模式，由水下激光发射单元发射激光，激光束依次透过准直镜和转轮上的衍射光学元件在像面上形成目标条纹的光束；s3：水下成像单元进行水下图像拍摄并将图像数据传至控制单元；s4：控制单元实时处理图像数据，具体是对图像数据进行增强处理，再基于增强后的图像数据提取激光的光点坐标数据，然后基于激光三角测量原理，根据激光的光点坐标数据计算得到目标物表面的三维空间坐标并实时上传至上位机；s5：检测当前水体浑浊度和水下目标物的特征，判断是否需要改变激光条纹模式，重复s2～s4，继续对目标物全貌进行扫描，直至得到目标物表面三维信息。

技术总结
本发明公开了一种可变激光条纹的水下激光三维扫描系统及方法。由水下激光发射单元、水下成像单元、控制单元和密封舱构成。由激光器发射点激光，可以透过转轮上的不同衍射光学元件在像面形成不同形状和分布的光斑或条纹，通过水下成像单元采集目标物表面激光光斑或条纹的图像序列，由控制单元对图像进行处理提取图像中的激光点，基于激光三角测量原理计算目标物表面的三维空间坐标，完成扫描范围内空间物体的轮廓提取。本发明可以针对不同水下环境，发射不同的激光条纹，有效地利用激光能量，提高激光扫描系统的扫描效率和探测距离，对环境的适应性和适用性也更强，具有十分重要的工程价值与现实意义。程价值与现实意义。程价值与现实意义。


技术研发人员：宋宏 李晓冰 汪孟杰 汪樵风 黄慧 李梓欣
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/8/5