基于水下机器人的双通道高光谱检测系统的制作方法

本发明专利属于光学检测技术领域，具体涉及一种基于水下机器人的双通道高光谱检测系统。

背景技术：

在海洋检测领域，光学检测与超声检测占据了重要的地位，但各有优劣。超声检测具有较大的检测范围，但信息量相对较少。光学检测可获取更精细、更丰富的检测信息，但其传播距离较小，极限距离为百米量级。在需要高信噪比的情况下，光学探测距离将大打折扣。因此，海洋还有大量的信息未能被准确获取。

根据当前各类研究方法的不足，本发明提出了一种基于水下机器人的双通道高光谱检测系统。通过构建小型化的双通道高光谱检测系统，并将其搭载在水下机器人上。通过水下机器人的运动，实现较大范围的光学检测。同时，通过双通道检测方法，结合数字图像处理，可实现高稳定的信号获取。

技术实现要素：

本发明专利的目的是针对现有技术的不足，提出了一种基于水下机器人的双通道高光谱检测系统，该方法将结合高光谱相机、视频相机以及图像去抖算法，实现高稳定大范围的水下光谱信号探测。

本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明专利包括成像硬件系统、水下机器人以及图像去抖算法三部分，成像硬件系统的传感模块由一个双目相机组成，在其中一个相机的前端安装成像光谱仪，定义为光谱相机，另一个未安装成像光谱仪的相机定义为视频相机，在探测过程中，上述两个相机同时输出图形数据，分别定义为光谱图像信号与数字图像信号，成像硬件系统搭载在水下机器人上，水下机器人搭载高亮度光源，提供水下照明，随着水下机器人的运动，抵近水下探测对象，实施近距离的水下光学信号探测，并通过数字图像算法后，实现图像去抖，获取大范围高稳定、高信噪比的高光谱图像数据。

所述双目相机，包含两个镜头，两个感光芯片，两个感光芯片位于同一个平面，两个镜头的光轴各自垂直对准两个感光芯片的中心，相互间距为a毫米（a是大于零的实数），两个感光芯片的中心线相互平行，距离也是a毫米，在其中一个镜头前端安装成像光谱仪。

所述成像光谱仪，是一种衍射分光的光学器件，由光谱镜头、狭缝、胶合透镜、光栅，光谱镜头用于采集空间光学信号，并聚焦于狭缝位置，通过狭缝的光线，经过胶合透镜后入射到光栅处，光栅实现衍射分光后，光线进一步到达光谱相机的镜头处，通过光谱相机的镜头后，相应的感光芯片将该光信号转换为光谱图像信号，光谱相机旁的视频相机分别由镜头和感光芯片组成，获取数字图像信号。

所述狭缝，是在一个金属片上的长方形开口，其长轴方向的长度远大于短轴方向的长度，其长轴方向与两个相机的中点连线平行。

所述图像去抖，是针对水下光学检测过程中由于海洋环境影像造成的抖动的消除，其具体方法是针对视频相机的数字图像信号，将该信号定义为img1（t），其中t表示信号采集的时间，在一个特定的时刻，采集的数字图像信号的数字结构为二维矩阵，在高光谱扫描过程中，视频相机获取的数字图像信号会发生抖动，选择相邻时刻的两副图像img1（t1）和img1（t2），对这两幅图像使用特征点提取算法，获取相应的特征点对，特征点对的位置坐标定义为（x1,y1）和（x2,y2），上述两点分别对应于img1（t1）和img1（t2）中的同一个特征点的位置坐标，特征点对的差值对应于图像的抖动幅度，特征点对的差值定义为抖动数值（dx,dy），其中dx=x1-x2，dy=y1-y2。

所述高光谱图像数据，是指包含了二维空间图像信息以及光谱信息的三维图像数据，定义为scube，相应的高光谱图像数据的维度为p×l×spec，在水下机器人的运动扫描过程中，双目相机同步获取光谱图像信号与数字图像信号，将t1时刻定义为扫描的起始时间，在t1时刻，定义光谱图像信号为imgs(t1)，定义数字图像信号为imgd(t1)，在扫描过程中的其他时刻，定义为t2时刻，定义光谱图像信号为imgs(t2)，定义数字图像信号为imgd(t2)，光谱图像信号与数字图像信号的数字结构均为二维矩阵，其维度是m×n，其中l>n，将t1时刻的数字图像信号的中间一行数据imgd(t1)[m/2,1:n]插值到scube中的第一行scube(1,r:r+n-1,1)，其中r是一个自然数并且r+n-1<l，将t1时刻的光谱图像数据imgs(t1)插值到scube中，插值方式定义为scube(1,r:r+n-1,ss)=imgs(t1)[ss,1:n]，其中ss是一个取值范围1到m的整数，代表光谱图像数据imgs(t1)的第ss行，对于t2时刻的数据，通过图像去抖，获取抖动数值（dx2,dy2），将t2时刻的数字图像信号的中间一行数据imgd(t2)[m/2,1:n]插值到scube中的第1+dx2行scube(1+dx2,r+dy2:r+n+dy2-1,1)，其中r+n+dy2-1<l，将t2时刻的光谱图像数据imgs(t2)插值到scube中，插值方式定义为scube(1+dx2,r+dy2:r+n+dy2-1,ss)=imgs(t2)[ss,1:n]，其中ss是一个取值范围1到m的整数，代表光谱图像数据imgs(t2)的第i行。

本发明专利的有益效果：

通过本发明专利的方法，使用基于水下机器人的双通道高光谱检测系统，利用水下机器人的机动性，带动双通道高光谱检测系统在水下实现大范围的运动扫描，在扫描过程中，结合数字图像信号去除图像抖动信息，并将去除抖动后的光谱图像信息组合为高光谱图像，基于高光谱图像，可以对水下观测物的光谱信息进行分析，从分子水平对其进行分析。

附图说明

图1为基于水下机器人的双通道高光谱检测系统。

图2为双通道高光谱检测系统的主要部件示意图。

图3为双通道高光谱检测系统的元件结构图。

具体实施方式

为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明专利的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明专利方案的限制，任何依据本发明专利构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明专利的技术方案范畴。

实施例1

下面结合附图1、附图2、附图3和实施例1对本发明专利作进一步说明。

如图1所示，本发明专利包括成像硬件系统、水下机器人以及图像去抖算法三部分，水下机器人1搭载高亮度光源2和高亮度光源3，提供水下照明，成像硬件系统的传感模块由一个双目相机4组成，在其中相机的前端安装成像光谱仪，定义为光谱相机5，另一个未安装成像光谱仪的相机定义为视频相机6，在探测过程中，上述两个相机同时输出图形数据，分别定义为光谱图像信号与数字图像信号，成像硬件系统搭载在水下机器人上，随着水下机器人的运动，抵近水下探测对象，实施近距离的水下光学信号探测，并通过数字图像算法后，实现图像去抖，获取大范围高稳定、高信噪比的高光谱图像数据。

所述双目相机，如图2所示，包含两个镜头，两个感光芯片，两个感光芯片位于同一个平面，两个镜头的光轴各自垂直对准两个感光芯片的中心，相互间距为a毫米（a是大于零的实数），两个感光芯片的中心线相互平行，距离也是a毫米，在其中一个镜头前端安装成像光谱仪，两个感光芯片后分别连接图形存储传输模块，用于存储传输光谱图像信号与数字图像信号。

所述成像光谱仪，如图3所示，是一种衍射分光的光学器件，由光谱镜头1、狭缝2、胶合透镜3、光栅4，光谱镜头1用于采集空间光学信号，并聚焦于狭缝2位置，通过狭缝2的光线，经过胶合透镜3后入射到光栅4处，光栅4实现衍射分光后，光线进一步到达光谱相机的镜头5处，通过光谱相机的镜头5后，相应的感光芯片6将该光信号转换为光谱图像信号，光谱相机旁的视频相机分别由镜头7和感光芯片8组成，获取数字图像信号。

所述狭缝2，是在一个金属片上的长方形开口，其长轴方向的长度远大于短轴方向的长度，其长轴方向与两个相机的中点连线平行。

所述图像去抖，是针对水下光学检测过程中由于海洋环境影像造成的抖动的消除，其具体方法是针对视频相机的数字图像信号，将该信号定义为img1（t），其中t表示信号采集的时间，在一个特定的时刻，采集的数字图像信号的数字结构为二维矩阵，在高光谱扫描过程中，视频相机获取的数字图像信号会发生抖动，选择相邻时刻的两副图像img1（t1）和img1（t2），对这两幅图像使用特征点提取算法，获取相应的特征点对，特征点对的位置坐标定义为（x1,y1）和（x2,y2），上述两点分别对应于img1（t1）和img1（t2）中的同一个特征点的位置坐标，特征点对的差值对应于图像的抖动幅度，特征点对的差值定义为抖动数值（dx,dy），其中dx=x1-x2，dy=y1-y2。

所述高光谱图像数据，是指包含了二维空间图像信息以及光谱信息的三维图像数据，定义为scube，相应的高光谱图像数据的维度为p×l×spec，在水下机器人的运动扫描过程中，双目相机同步获取光谱图像信号与数字图像信号，将t1时刻定义为扫描的起始时间，在t1时刻，定义光谱图像信号为imgs(t1)，定义数字图像信号为imgd(t1)，在扫描过程中的其他时刻，定义为t2时刻，定义光谱图像信号为imgs(t2)，定义数字图像信号为imgd(t2)，光谱图像信号与数字图像信号的数字结构均为二维矩阵，其维度是m×n，其中l>n，将t1时刻的数字图像信号的中间一行数据imgd(t1)[m/2,1:n]插值到scube中的第一行scube(1,r:r+n-1,1)，其中r是一个自然数并且r+n-1<l，将t1时刻的光谱图像数据imgs(t1)插值到scube中，插值方式定义为scube(1,r:r+n-1,ss)=imgs(t1)[ss,1:n]，其中ss是一个取值范围1到m的整数，代表光谱图像数据imgs(t1)的第ss行，对于t2时刻的数据，通过图像去抖，获取抖动数值（dx2,dy2），将t2时刻的数字图像信号的中间一行数据imgd(t2)[m/2,1:n]插值到scube中的第1+dx2行scube(1+dx2,r+dy2:r+n+dy2-1,1)，其中r+n+dy2-1<l，将t2时刻的光谱图像数据imgs(t2)插值到scube中，插值方式定义为scube(1+dx2,r+dy2:r+n+dy2-1,ss)=imgs(t2)[ss,1:n]，其中ss是一个取值范围1到m的整数，代表光谱图像数据imgs(t2)的第i行。