[发明专利]一种基于光栅投影改进的水下地形测量系统

权利要求书

1.一种基于光栅投影改进的水下地形测量系统，是由激光器通过孔、CCD摄像机通过孔、白炽灯、地形装置支撑架、水下机器人、电缆线、激光器、展开透镜、正弦光栅、1881型CCD摄像机、P540图像采集卡、电脑、陀螺仪和水下深度计组成的，其特征在于：所述的激光器通过孔、CCD摄像机通过孔位于地形装置支撑架上，水下机器人与地形装置支撑架固定连接，电缆线位于水下机器人的上部，激光器、展开透镜、正弦光栅、1881型CCD摄像机和白炽灯都安装于地形装置支撑架上，且激光器、展开透镜和正弦光栅三点一线，且与地面有一定角度，且可忽略不计，1881型CCD摄像机垂直于参考平面，且与P540图像采集卡相连接，图像采集卡安装于水下机器人上，且通过电缆线与电脑相连接，陀螺仪、水下深度计安装于水下机器人内部，地形装置支撑架安装于水下机器人底部。

2.一种基于光栅投影改进的水下地形测量方法，其特征在于：是采用由激光器通过孔、CCD摄像机通过孔、白炽灯、地形装置支撑架、水下机器人、电缆线、激光器、展开透镜、正弦光栅、1881型CCD摄像机、P540图像采集卡、电脑、陀螺仪和水下深度计组成的装置，所述的激光器通过孔、CCD摄像机通过孔位于地形装置支撑架上，水下机器人与地形装置支撑架固定连接，电缆线位于水下机器人的上部，激光器、展开透镜、正弦光栅、1881型CCD摄像机和白炽灯都安装于地形装置支撑架上，且激光器、展开透镜和正弦光栅三点一线，且与地面有一定角度，且可忽略不计，1881型CCD摄像机垂直于参考平面，且与P540图像采集卡相连接，图像采集卡安装于水下机器人上，且通过电缆线与电脑相连接，陀螺仪、水下深度计安装于水下机器人内部，地形装置支撑架安装于水下机器人底部。

该方法，包括以下步骤：

(1)首先，利用水下深度计保持水下机器人到水面的高度，使其为一定值M，不能改变。

(2)微调陀螺仪角度，使水下机器人水平，即θ＝0。

(3)利用激光器将条纹密度为10条/m的正弦光栅投影到参考平面上，当激光器与参考平面间的距离很大并且投影光束与1881型CCD摄像机轴线的夹角(图中∠egf)很小时，可认为激光器发出的光束为平行光并且投影在参考平面上的条纹是等间隔的,即条纹具有固定的空间周期。则参考平面上的光强分布为:

I(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos(2πfx)

式中的I(x,y)表示参考平面上的光强分布，a(x,y)表示背景光强分布，b(x,y)为条纹光强变化的振幅，f＝1/p表示投影光栅的基频，p是条纹宽度在图像监视器上所占的像素数，2πfx表示光波前的相位分布(因本实验中光栅投影垂直于水平方向,故cos项无y分量)。

如果将正弦光栅投影到任意物体表面上,物体表面上的光强分布为I₁(x,y)＝a₁(x,y)+b₁(x,y)cos[2πfx+φ(x,y)]

式中的I₁(x,y)表示物体表面上的光强分布，a₁(x,y)表示背景光强分布，b₁(x,y)为条纹光强变化的振幅，f意义同上，而(x,y)为物体高度分布h(x,y)引起的相位调制。

对于公式,可改用复数形式来表示

I₁(x,y)＝a₁(x,y)+c(x,y)exp(j2πfx)+c*(x,y)exp(-j2πfx)

式中

c(x,y)＝2^-1b₁(x,y)exp[jφ(x,y)]

式中对x轴进行傅里叶变换,得

G(f,y)＝A(f,y)+C(f_x-f,y)+C*(f_x+f,y)

由于a₁(x,y)，b₁(x,y)相对f变化缓慢,所以在频谱图中它们与基频是分开的,而载频C(f_x-f,y)携带有用的相位信息。选用指数滤波器进行滤波后得出载频分量C(f_x-f,y),平移到原点为C(f,y)。然后对其进行傅里叶逆变换,得

c(x,y)＝2^-1b(x,y)exp[jφ(x,y)]

将公式用欧拉公式进行三角变换为

c(x,y)＝2^-1b(x,y){cos[φ(x,y)]+jsin[φ(x,y)]

则φ(x,y)为

real,image分别代表的实部和虚部，上式中，求反正切时，由于其值域为-π～+π,因而需要对其结果进行去包裹处理得到正确的φ(x,y)值。

(4)在远心投影光路条件下，考虑到实际测量中l＞＞h(x,y)被测物体表面的高度分布和调制相位的关系为

φ(x,y)≈(2φfd/l)h(x,y)

又因为d/l＝cot(∠fge)，且f＝1/p，可得到

φ(x,y)≈2πcot(∠fge)h(x,y)p^-1

于是h(x,y)＝φ(x,y)(p/2π)tan(∠fge)

将步骤(3)中式中去包裹处理得到正确的φ(x,y)值代入上式中，可解出地形高度场h(x,y)。

(5)然后通过计算机软件，不断进行读取图片并处理，可以得出三维地形图。