船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統及其檢測方法
2023-11-30 10:38:51
專利名稱：船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統及其檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種水下物體外形成像技術，特別是一種船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統及其檢測方法，其採用基於雷射技術與攝像技術結合的圖像處理方法。
背景技術：
船舶水下部分是指船體浸沒在水中的部分。對於航運管理部門，如果能夠準確掌握船舶水下部分的輪廓尺寸，就能夠結合航道水深和水流的變化數據，配以貨物裝載情況， 計算出船舶的穩定高度，搖擺周期、左右吃水差、橫傾角、縱傾角等重要穩定參數，再根據船閘閘室或升船機船箱的地形資料，合理安排船隻通航閘次和在船閘(或船箱)內的泊位，從而保證通航順利，確保人員、設備、船隻和航道的安全。因此掌握船舶水下部分的準確輪廓尺寸，對於保證人員、設備、航道和船舶的安全都具有重要意義。目前，對船舶水下部分的檢測僅限於船舶的吃水深度檢測，如採用人工觀測法、超聲波水尺法、壓力傳感法等等，然而吃水深度是指船舶水下部分最低點到水面的距離，最多只能簡單掌握左右舷首中尾六個部位的吃水數據(即六面水尺數據)，並未涉及船舶水下輪廓尺寸的檢測，也沒有體現該輪廓尺寸的技術信息。由於數據不完整，本領域技術人員不能掌握整個水下部分輪廓，需要憑藉調度人員的工作經驗來安排閘次和泊位。然而，目前的測量方式受測量人員主觀影響較大，檢查時檢測設備必須上船或者進入水底檢測，檢測系統複雜，施工難度高，操作不方便，無法實現離船、準確、快速的檢查要求。
發明內容
本發明的目的在於根據現有技術的不足之處而提供一種能夠檢測船舶水下輪廓尺寸、確保航行安全的船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統及其檢測方法。本發明所述的船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統是通過以下途徑來實現的
船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統，其結構要點在於，包括有水下雷射掃描裝置、水下拍攝裝置、圖像處理子系統、升降裝置和傳輸電纜，其中
水下雷射掃描裝置包括光學部分和轉動部分，光學部分包括有沿同一光軸依序安裝的雷射發生器、雷射擴束鏡和光學平凹柱面鏡；轉動部分包括有全反射鏡和步進電機，步進電機的轉動軸通過全反射鏡鏡心且與鏡面平行；轉動部分的轉動軸垂直於光學部分的光軸； 升降裝置包括水平支架、垂直導軌和傳動電機，垂直導軌安裝在水岸邊，並垂直於水面，水平支架垂直於該垂直導軌，其支撐點安裝在垂直導軌的軌道中，並與傳動電機電連接；
水下雷射掃描裝置和水下拍攝裝置均安裝放置在升降裝置的水平支架上，並通過傳輸電纜與圖像處理子系統連接。上述船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統的檢測方法，其要點在於，包括如下步驟 提供一種如上所述的船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統，
啟動傳動電機，其帶動放置有水下雷射掃描裝置和水下拍攝裝置的水平支架沿著垂直導軌沒入水中，並下降到設定位置，一般為航道規定吃水深度附近；
啟動水下雷射掃描裝置和水下拍攝裝置，水下雷射掃描裝置中的雷射發生器受觸發產生線性雷射，並傳射到雷射擴束鏡，雷射擴束鏡接收線性雷射並轉換成雷射束，同時控制雷射束的發散角；
雷射擴束鏡將雷射束傳射到光學平凹柱面鏡，由光學平凹柱面鏡將該雷射束轉換成片狀雷射束，並傳射到全反射鏡上，全反射鏡產生的反射雷射光束與水下部分的船體相交出現為一平面曲線，也就是雷射照明線，
水下拍攝裝置拍攝上述掃描過程中雷射在水下船體上產生的雷射照明線所形成的圖像，並將該圖像信息傳送給圖像處理子系統；
圖像處理子系統接收並處理水下拍攝裝置傳送的圖像信息，利用不同圖像上雷射照明線存在的視角差，計算出該處船體水下部分實際三維輪廓信息，從而獲得該處船體水下部分的輪廓尺寸；
此時使全反射鏡在步進電機的作用下旋轉，從而改變片狀雷射束在全反射鏡上的入射點，使全反射鏡產生的反射雷射跟隨旋轉，掃描船體的水下部分；每旋轉一個角度，水下拍攝裝置就將拍攝的圖像信息傳送給圖像處理子系統，圖像處理子系統根據所計算的掃描過程的多個輪廓尺寸進行綜合分析、計算、處理，獲得船體一側水下部分的三維外形輪廓信息，並進行存儲。調轉船頭，可以對船的另一側水下部分的三維外形輪廓進行檢測。上述雷射擴束鏡用於擴展雷射束的直徑並減小雷射束的發散角，全反射鏡用於改變雷射光束方向。由於本發明所使用到的水下雷射掃描裝置和水下拍攝裝置均安裝在航道的同一側岸邊，在航道的對側或航道水底不需要布置任何測量裝置，因此降低了系統施工難度。檢測過程全自動化控制，不受測量人員的主觀影響，檢測時，設備無需上船，也無需進入水底，測量系統結構簡單，操作便捷，快速，測量結果準確穩定，為船舶的順利通航，人員、設備、船隻和航道的安全提供了重要依據。本發明所述方法可以進一步具體為
全反射鏡完成水平面的掃描後，傳送電機再次調整水平支架的高度，改變全反射鏡的掃描平面，再次對新調整的高度平面進行掃描。這樣可以多層次，全方位的完成整個船舶水下部分輪廓尺寸的掃描。本發明可以進一步具體為
水下雷射掃描裝置中的雷射發生器為一種藍綠雷射器。這是因為藍綠雷射器發射的雷射波長處在藍光到綠光範圍內，而藍綠雷射在水中衰減小，且與水下拍攝裝置的光電轉換效率匹配好。也可以是藍光雷射器，或者綠光雷射器。 水下拍攝裝置包括有兩臺或兩臺以上的高解析度CCD照相機，該多臺的CCD照相機分別放置在水下雷射掃描裝置的兩側。多臺的CCD照相機用於在不同角度拍攝水下船體上的雷射照明線。其原理為 對於船體雷射照明線上的任意一點P，處於由第一攝像機的鏡頭中心與其CCD像平面
的成像點ΡΓ決定的直線01ΡΓ上，同時也處於第二攝像機的鏡頭中心與其C⑶像平面的成像點P2』決定的直線02P2』上。由於01ΡΓ和02P2』兩條直線在實際空間的三維方程可知，兩條直線的交點就是P點，所以該P點在空間的三維坐標可以通過算法計算出來。本發明還可以進一步具體為
圖像處理子系統包括有與傳動電機連接的信號接收模塊、中央處理模塊、與水下拍攝裝置連接的信號傳送模塊、與水下雷射掃描裝置連接的控制模塊，信號接收模塊、信號傳送模塊和控制模塊分別與中央處理模塊連接。當傳動電機啟動時，其發出信號經由信號接收模塊進入中央處理模塊進行處理， 中央處理模塊根據該信號，通過控制模塊對水下雷射掃描裝置發出啟動指令，並通過信號傳送模塊啟動水下拍攝裝置；當中央處理模塊通過信號傳送模塊接收來自水下拍攝裝置的圖像時，根據設定的數據形成指令，通過控制模塊對水下雷射掃描裝置的步進電機發出動作指令和動作參數，實現全檢測自動控制功能。綜上所述，本發明提供了一種船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統及其檢測方法，其基於圖像處理的檢測系統，根據採用雷射束對船體水下部分進行掃描，形成雷射照明線，通過水下攝像裝置獲得掃描圖像信息，並採用數學算法處理圖像數據，計算船體三維輪廓信息。由於本發明所使用到的水下雷射掃描裝置和水下拍攝裝置均安裝在航道的同一側岸邊，在航道的對側或航道水底不需要布置任何測量裝置，因此降低了系統施工難度。檢測過程全自動化控制，不受測量人員的主觀影響，檢測時，設備無需上船，也無需進入水底，測量系統結構簡單，操作便捷，快速，測量結果準確穩定，為船舶的順利通航，人員、設備、船隻和航道的安全提供了重要依據。
圖1所示為本發明所述的船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統的平面結構示意圖。圖2所示為本發明所述船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統的立面結構示意圖。圖3所示為本發明所述水下雷射掃描裝置的結構示意圖。圖4所示為本發明所述圖像處理的基本原理圖。圖5所示為本發明所述船舶水下部分輪廓尺寸檢測方法示意圖。下面結合實施例對本發明做進一步描述。
具體實施例最佳實施例
參照附圖1和附圖2，基於圖像處理的船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統，包括有水下雷射掃描裝置1、水下拍攝裝置、圖像處理子系統3、升降裝置4和傳輸電纜5。其中，水下拍攝裝置包括有兩臺800萬像素CXD照相機21、22。CXD照相機用於在不同角度拍攝水下船體上的雷射照明線。CCD照相機與雷射掃描裝置都安放在水平支架41 上，處於同樣的水下深度。並且CCD照相機位於雷射掃描裝置兩側，與雷射掃描裝置1的距離都為1米。升降裝置4包括水平支架41、垂直導軌42和傳動電機43。水平支架41用於安放水下雷射掃描裝置1和水下拍攝裝置，其材質為不鏽鋼。垂直導軌42固定在碼頭，垂直於水面，水平支架41垂直於該垂直導軌，其支撐點安裝在垂直導軌的軌道中，並與傳動電機電連接，可以沿導軌42垂直升降。傳動電機43與水平支架41的支撐點電連接，用於帶動水平支架41調整到水下1. 6米深的最佳水下拍攝位置。參見附圖3，水下雷射掃描裝置1包括有光學部分和轉動部分。光學部分包括有沿同一光軸依序安裝532nm半導體泵浦全固體綠光雷射器11、倍率為10的532nm綠光雷射擴束鏡12和焦距為-IOOmm的光學平凹柱面鏡13。532nm綠光雷射在水中衰減較小，且與CXD 照相機的光電轉換效率匹配好。半導體泵浦固體雷射器體積小且光束質量好，適合於雷射成像系統。轉動部分包括有全反射波長為532nm的全反射鏡14和步進電機15。步進電機 15轉動軸通過全反射鏡14鏡心且與鏡面平行。同時轉動部分的轉動軸與光學部分的光軸互相垂直，全反射鏡14在水平面上轉動，根據不同的雷射束入射角產生不同角度的反射雷射束，實現對船體水下部分的掃描。圖像處理子系統3為一種PC計算機，用於接收並處理各CXD照相機傳送的圖像， 利用不同圖像上雷射照明線存在的視角差，通過算法計算出船體水下部分實際三維輪廓信息。參照附圖4，其基於兩臺CCD照相對原理進行闡述
對於船體6上形成的雷射照明線16上的任意一點P，處於由攝像機1的鏡頭中心01與其CXD像平面的成像點ΡΓ決定的直線01ΡΓ上，同時也處於攝像機2的鏡頭中心02與其 CXD像平面的成像點P2』決定的直線02P2』上。由於01ΡΓ和02P2』兩條直線在實際空間的三維方程可知，而01ΡΓ和02P2』的交點就是P點，所以雷射照明線上的任意一點P點在實際空間的三維坐標都可以通過算法計算出來。參照附圖5，上述船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統的檢測方法，包括如下步驟 啟動傳動電機43，其帶動放置有水下雷射掃描裝置和水下拍攝裝置的水平支架沿著垂
直導軌沒入水中，並水下1.6米深的工作位置，即航道規定吃水深度附近；
圖像處理子系統3啟動水下雷射掃描裝置1和水下拍攝裝置，水下雷射掃描裝置1中的綠光雷射器11受觸發產生線性雷射，並傳射到雷射擴束鏡12，雷射擴束鏡12接收線性雷射並轉換成雷射束，同時控制雷射束的發散角；
雷射擴束鏡12將雷射束傳射到光學平凹柱面鏡13，由光學平凹柱面鏡將該雷射束轉換成片狀雷射束，並傳射到全反射鏡14上，全反射鏡14產生的反射雷射光束與水下部分的船體相交出現為一平面曲線，也就是雷射照明線16，
與此同時CCD照相機21、22開始拍攝船體水下部分的圖像信息，各臺CCD照相機從不同角度拍攝出不同視角的船體雷射照明線，並將該圖像信息傳送給圖像處理子系統；
圖像處理子系統3接收並處理水下拍攝裝置傳送的圖像信息，利用不同圖像上雷射照明線存在的視角差，通過三維重建、條紋提取和折射補償等的數學算法計算出船體水下部分在實際三維空間的輪廓信息，從而獲得該處船體水下部分的輪廓尺寸；
此時圖像處理子系統3發出控制指令，傳送給水下雷射掃描裝置中的步進電機15，使全反射鏡14在步進電機15的作用下旋轉，從而改變片狀雷射束在全反射鏡上的入射點，使全反射鏡14產生的反射雷射跟隨旋轉，再通過調整水平支架高度改變雷射掃描深度，實現掃描船體的水下部分；每旋轉一個角度或深度，水下拍攝裝置就將拍攝的圖像信息傳送給圖像處理子系統，圖像處理子系統根據所計算的掃描過程的多個輪廓尺寸進行綜合分析、 計算、處理，獲得船體一側水下部分的三維外形輪廓信息，並進行存儲。調轉船頭，可以對船的另一側水下部分的三維外形輪廓進行檢測。本系統及方法事實上也可用於水面、陸上或空中物體的外部輪廓檢測。
本發明未述部分與現有技術相同。
權利要求
1.船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統，其特徵在於，包括有水下雷射掃描裝置、水下拍攝裝置、圖像處理子系統、升降裝置和傳輸電纜，其中水下雷射掃描裝置包括光學部分和轉動部分，光學部分包括有沿同一光軸依序安裝的雷射發生器、雷射擴束鏡和光學平凹柱面鏡；轉動部分包括有全反射鏡和步進電機，步進電機的轉動軸通過全反射鏡鏡心且與鏡面平行；轉動部分的轉動軸垂直於光學部分的光軸；升降裝置包括水平支架、垂直導軌和傳動電機，垂直導軌安裝在水岸邊，並垂直於水面，水平支架垂直於該垂直導軌，其支撐點安裝在垂直導軌的軌道中，並與傳動電機電連接；水下雷射掃描裝置和水下拍攝裝置均安裝放置在升降裝置的水平支架上，並通過傳輸電纜與圖像處理子系統連接。
2.根據權利要求1所述的船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統，其特徵在於，水下雷射掃描裝置中的雷射發生器或者為一種藍綠雷射器，或者為一種綠光雷射器，或者為一種藍光雷射器。
3.根據權利要求1所述的船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統，其特徵在於，水下拍攝裝置包括有兩臺或兩臺以上的高解析度CCD照相機，該多臺的CCD照相機分別放置在水下雷射掃描裝置的兩側。
4.根據權利要求1所述的船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統，其特徵在於，圖像處理子系統包括有與傳動電機連接的信號接收模塊、中央處理模塊、與水下拍攝裝置連接的信號傳送模塊、與水下雷射掃描裝置連接的控制模塊，信號接收模塊、信號傳送模塊和控制模塊分別與中央處理模塊連接。
5.船舶水下部分輪廓尺寸檢測方法，其特徵在於，包括如下步驟提供一種如權利要求1所述的船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統，啟動傳動電機，其帶動放置有水下雷射掃描裝置和水下拍攝裝置的水平支架沿著垂直導軌沒入水中，並下降到設定位置，啟動水下雷射掃描裝置和水下拍攝裝置，水下雷射掃描裝置中的雷射發生器受觸發產生線性雷射，並傳射到雷射擴束鏡，雷射擴束鏡接收線性雷射並轉換成雷射束，同時控制雷射束的發散角；雷射擴束鏡將雷射束傳射到光學平凹柱面鏡，由光學平凹柱面鏡將該雷射束轉換成片狀雷射束，並傳射到全反射鏡上，全反射鏡產生的反射雷射光束與水下部分的船體相交出現為一平面曲線，也就是雷射照明線，水下拍攝裝置拍攝上述掃描過程中雷射在水下船體上產生的雷射照明線所形成的圖像，並將該圖像信息傳送給圖像處理子系統；圖像處理子系統接收並處理水下拍攝裝置傳送的圖像信息，利用不同圖像上雷射照明線存在的視角差，計算出該處船體水下部分實際三維輪廓信息，從而獲得該處船體水下部分的輪廓尺寸；此時使全反射鏡在步進電機的作用下旋轉，從而改變片狀雷射束在全反射鏡上的入射點，使全反射鏡產生的反射雷射跟隨旋轉，掃描船體的水下部分；每旋轉一個角度，水下拍攝裝置就將拍攝的圖像信息傳送給圖像處理子系統，圖像處理子系統根據所計算的掃描過程的多個輪廓尺寸進行綜合分析、計算、處理，獲得船體一側水下部分的三維外形輪廓信息，並進行存儲。
6.根據權利要求5所述的船舶水下部分輪廓尺寸檢測方法，其特徵在於，水下雷射掃描裝置中的雷射發生器或者為一種藍綠雷射器，或者為一種綠光雷射器，或者為一種藍光雷射器。
7.根據權利要求5所述的船舶水下部分輪廓尺寸檢測方法，其特徵在於，水下拍攝裝置包括有兩臺或兩臺以上的高解析度CCD照相機，該多臺的CCD照相機分別放置在水下雷射掃描裝置的兩側。
8.根據權利要求5所述的船舶水下部分輪廓尺寸檢測方法，其特徵在於，圖像處理子系統包括有與傳動電機連接的信號接收模塊、中央處理模塊、與水下拍攝裝置連接的信號傳送模塊、與水下雷射掃描裝置連接的控制模塊，信號接收模塊、信號傳送模塊和控制模塊分別與中央處理模塊連接。
9.根據權利要求5所述的船舶水下部分輪廓尺寸檢測方法，其特徵在於，全反射鏡完成水平面的掃描後，傳送電機再次調整水平支架的高度，改變全反射鏡的掃描平面，再次對新調整的高度平面進行掃描。
全文摘要
本發明涉及一種水下物體外形成像技術，特別是一種船舶水下部分輪廓尺寸檢測系統及其檢測方法，其採用基於雷射技術與攝像技術結合的圖像處理方法，根據採用雷射束對船體水下部分進行掃描，形成雷射照明線，通過水下攝像裝置獲得掃描圖像信息，並採用數學算法處理圖像數據，計算船體三維輪廓信息。本發明系統施工難度低，檢測方法過程全自動化控制，不受測量人員的主觀影響，檢測時，設備無需上船，也無需進入水底，測量系統結構簡單，操作便捷，快速，測量結果準確穩定，為船舶的順利通航，人員、設備、船隻和航道的安全提供了重要依據。
文檔編號G01B11/24GK102564339SQ20111043170
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月21日 優先權日2011年12月21日
發明者劉志強, 華林, 吳慧峰, 莊明, 戴在光, 李宇勝, 王昕 , 王靜怡, 鄭傑, 鄢榮玲, 顏藝峰, 黃其捷 申請人:福建水口發電集團有限公司