用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置，包括激光发射模块、棱锥形反射棱镜、电磁方位检测模块、主控制模块、激光接收模块、透光窗口和电机，透光窗口固定于水下航行器的舱体底面，电机通过电机支架固定于舱体内壁，棱锥形反射棱镜底面固连在电机的输出轴上，感应磁片镶嵌在电机的输出轴侧壁面上，磁传感器镶嵌在舱体内壁上，且磁传感器位于感应磁片的正上方。本发明专利技术实现系统小型化，同时减小水下介质扩散和衰减效应，提高水下激光扫描成像光学分辨率，提高系统的成像范围。

Pyramid Laser Synchronized Scanning Imaging Device for Underwater Vehicle

The invention discloses a pyramidal laser synchronous scanning imaging device for underwater vehicle, which comprises a laser transmitting module, a pyramidal reflector prism, an electromagnetic azimuth detection module, a main control module, a laser receiving module, a light transmission window and a motor. The light transmission window is fixed on the bottom of the cabin of the underwater vehicle, and the motor is fixed on the inner wall of the cabin through an electric motor bracket. The bottom of the prism is fixed on the output shaft of the motor, the induction magnetic disc is embedded on the side wall of the output shaft of the motor, the magnetic sensor is embedded on the inner wall of the cabin, and the magnetic sensor is positioned directly above the induction magnetic disc. The invention realizes the miniaturization of the system, reduces the diffusion and attenuation effects of underwater media, improves the optical resolution of underwater laser scanning imaging and enhances the imaging range of the system.

【技术实现步骤摘要】
用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置
本专利技术属于扫描成像领域，具体涉及一种用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置。
技术介绍
水下航行器作为海洋环境观测的重要装备，可使用光电成像设备测量海底地形地貌，其光学探测技术包括激光同步扫描成像技术。激光同步扫描成像技术主要特点有数据采样率高、高分辨率、高精度等。它利用激光测距原理，通过记录被测物体表面大量密集点的坐标信息和反射率信息，将数据完整地采集到电脑中，进而快速复建出被测目标的图件数据。虽然激光同步扫描系统的最初构思产生在20世纪70年代初期，但真正的研究是在20世纪80年代和90年代初期与美国海军签订的一系列研发合同中开始的。1988年，频谱工程有限公司开始研发双椎形多面体反射镜系统作为水下成像装置，在工作距离、视场和像质方面都比普通成像系统有了重大进展。20年来，业界广泛认为激光线扫描器技术是获取水下环境光学识别质量图像的最佳方法。水下激光线扫描器成像系统可采取单面体扫描反射镜线扫描器、双锥体线扫描器、单六面体反射镜线扫描器等。旋转多面体反射镜的每个小反射面将激光束反射向目标区，并被第二个更大尺寸的旋转多面体反射镜将返回的一部分光束反射到探测器。获得高对比图像必须具备的特性是，照明光锥与靶面之前接收器的瞬时视场具有最小叠加量。为此，接收器要保持一个限定的瞬时视场不变。此外，聚光孔径必须足够大以收集足量的光子，从而扩大系统的成像范围。由于收集的光子数目正比于入射光束孔径直径的二次方，所以光束实际孔径的典型值是大于50mm的数量级。因此，扫描器需要的反射镜会比较大，从而影响系统总尺寸。单六面体反射镜线扫描器通过调整两个对称设置的转向反射镜以对应目标距离的变化。其宽泛的设计技术规范，是为了兼容宽幅扫描器对小敏感面积探测器和各种目标距离的需要。该扫描系统使用单六面体反射镜和两个反射镜转向组件，以使激光传输光路与通过整个线扫描系统返回到光电倍增管的光路同步。当一个小反射面的位置正好使激光束沿着传输光路传播时，另一小反射面的位置恰好能将沿着探测器信号光路的激光束反射到远心聚光系统和视场光阑孔径，从而控制接收器的瞬时视场。由于激光束从光源到目标区的传输过程中只有一小部分返回到探测器，所以，水下激光扫描成像装置的性能会受到介质点扩散和衰减效应的影响。要使普通的散射范围最小，激光线扫描器系统的设计需要有较小的景深(DOF)，一般小于几米。景深一般是以下参数的函数：光源与接收器的间距；从光源到目标再返回的光路长度；光束发散度；接收器接收角的函数。上述激光扫描器方案应用于水下航行器扫描成像的过程中，双椎形多面体或单六面体反射棱镜需要的工作空间较大，且光源与接收器不可避免一定存在间距，从而增大发射光路与返回光路长度，受到的介质扩散和衰减效应更大，影响水下激光扫描成像装置性能。因此，找到一种能减小工作空间，缩短光源与接收器间距从而减小水下介质扩散和衰减效应的激光扫描装置结构具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置，采用椎形多面体激光同步扫描成像装置实现水下航行器用激光扫描成像，实现系统小型化，同时减小水下介质扩散和衰减效应，提高水下激光扫描成像光学分辨率，提高系统的成像范围。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置，包括激光发射模块、棱锥形反射棱镜、电磁方位检测模块、主控制模块、激光接收模块、透光窗口和电机，其中电磁方位检测模块包括磁电传感器和感应磁片；透光窗口固定于水下航行器的舱体底面，保证舱体密封，激光发射模块、棱锥形反射棱镜、电磁方位检测模块、主控制模块、激光接收模块、电机均置于水下航行器的舱体内，且激光发射模块、电磁方位检测模块、主控制模块、激光接收模块、电机均不遮挡透光窗口；电机通过电机支架固定于舱体内壁，棱锥形反射棱镜底面固连在电机的输出轴上，感应磁片镶嵌在电机的输出轴侧壁面上，磁传感器镶嵌在舱体内壁上，且磁传感器位于感应磁片的正上方，对目标方位角信息进行探测，磁传感器、激光发射模块、激光接收模块、电机分别与主控制模块连接；激光发射模块固定在棱锥形反射棱镜的顶点正前方，保证发射激光能够照射到棱锥形反射棱镜的每一个三角形侧面上，激光束可以通过棱锥形反射棱镜反射后，经透光窗口进行发射和接收；激光接收模块位于激光发射模块的正下方，主控制模块固定在接收模块的前方，处于舱体的前端，对信号进行处理。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本专利技术采用棱锥形激光同步扫描成像装置，由棱锥形反射棱镜，实现发射激光反射以及回波反射，减小光源与接收器之间的距离，简化系统体积，有利于系统小型化的实现。(2)采用单个激光器和单个光电探测器配合棱锥形反射棱镜实现激光的发射和接收，棱锥形反射棱镜每一面的倾角为45°，使单个周期扫描光点为一条直线段，简化了扫描轨迹。附图说明图1为本专利技术用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置的结构示意图。图2为本专利技术各模块电气连接图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。结合图1，一种用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置，包括激光发射模块1、棱锥形反射棱镜2、电磁方位检测模块、主控制模块4、激光接收模块5、透光窗口6和电机8，其中电磁方位检测模块包括磁电传感器3和感应磁片7。透光窗口6通过螺纹联接固定于水下航行器的舱体底面，保证舱体密封，激光发射模块1、棱锥形反射棱镜2、电磁方位检测模块、主控制模块4、激光接收模块5、电机8均置于水下航行器的舱体内，且激光发射模块1、电磁方位检测模块、主控制模块4、激光接收模块5、电机8均不遮挡透光窗口6。电机8通过电机支架固定于舱体内壁，棱锥形反射棱镜2底面固连在电机8的输出轴上，电机8加载棱锥形反射棱镜2后的转数≥30000r/min。感应磁片7镶嵌在电机8的输出轴侧壁面上，磁传感器3镶嵌在舱体内壁上，且磁传感器3位于感应磁片7的正上方，对目标方位角信息进行探测，磁传感器3、激光发射模块1、激光接收模块5、电机8分别与主控制模块4连接。激光发射模块1固定在棱锥形反射棱镜2的顶点正前方，保证发射激光能够照射到棱锥形反射棱镜2的每一个三角形侧面上，激光束可以通过棱锥形反射棱镜2反射后，经透光窗口6进行发射和接收。激光接收模块5位于激光发射模块1的正下方，主控制模块4固定在接收模块5的前方，处于舱体的前端，对信号进行处理。棱锥形反射棱镜2底面为正多边形，每一个三角形侧面的倾角为45°，棱锥形反射棱镜2中心轴与透光窗口6轴线平行，棱锥形反射棱镜2结构参数包括三角形侧面个数k、正多边形的边长l(mm)、棱镜倾角α(rad)。用于水下航行器的椎形多面体激光同步扫描成像装置宽扫描角在70°范围内，同时扫描角θ与棱镜侧面个数k有如下关系：θ＝2π/k(2)在α＝45°时，发射激光束经过棱锥形反射棱镜2反射的反射光束垂直于棱锥形反射棱镜2中心轴在探测平面上形成一系列呈直线排列的扫描点。棱锥形反射棱镜2的正多边形的边长l需要配合激光发射模块1与激光接收模块5结构进行设定，保证棱锥形反射棱镜2的反射面能够反射激光发射模块1的发射激光束，同时能够反射回波光束到激光接收模块5。结合图2，激光发射模块1包括准直透镜、固本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置，其特征在于：包括激光发射模块(1)、棱锥形反射棱镜(2)、电磁方位检测模块、主控制模块(4)、激光接收模块(5)、透光窗口(6)和电机(8)，其中电磁方位检测模块包括磁电传感器(3)和感应磁片(7)；透光窗口(6)固定于水下航行器的舱体底面，保证舱体密封，激光发射模块(1)、棱锥形反射棱镜(2)、电磁方位检测模块、主控制模块(4)、激光接收模块(5)、电机(8)均置于水下航行器的舱体内，且激光发射模块(1)、电磁方位检测模块、主控制模块(4)、激光接收模块(5)、电机(8)均不遮挡透光窗口(6)；电机(8)通过电机支架固定于舱体内壁，棱锥形反射棱镜(2)底面固连在电机(8)的输出轴上，感应磁片(7)镶嵌在电机(8)的输出轴侧壁面上，磁传感器(3)镶嵌在舱体内壁上，且磁传感器(3)位于感应磁片(7)的正上方，对目标方位角信息进行探测，磁传感器(3)、激光发射模块(1)、激光接收模块(5)、电机(8)分别与主控制模块(4)连接；激光发射模块(1)固定在棱锥形反射棱镜(2)的顶点正前方，保证发射激光能够照射到棱锥形反射棱镜(2)的每一个三角形侧面上，激光束可以通过棱锥形反射棱镜(2)反射后，经透光窗口(6)进行发射和接收；激光接收模块(5)位于激光发射模块(1)的正下方，主控制模块(4)固定在接收模块(5)的前方，处于舱体的前端，对信号进行处理。...

【技术特征摘要】
1.一种用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置，其特征在于：包括激光发射模块(1)、棱锥形反射棱镜(2)、电磁方位检测模块、主控制模块(4)、激光接收模块(5)、透光窗口(6)和电机(8)，其中电磁方位检测模块包括磁电传感器(3)和感应磁片(7)；透光窗口(6)固定于水下航行器的舱体底面，保证舱体密封，激光发射模块(1)、棱锥形反射棱镜(2)、电磁方位检测模块、主控制模块(4)、激光接收模块(5)、电机(8)均置于水下航行器的舱体内，且激光发射模块(1)、电磁方位检测模块、主控制模块(4)、激光接收模块(5)、电机(8)均不遮挡透光窗口(6)；电机(8)通过电机支架固定于舱体内壁，棱锥形反射棱镜(2)底面固连在电机(8)的输出轴上，感应磁片(7)镶嵌在电机(8)的输出轴侧壁面上，磁传感器(3)镶嵌在舱体内壁上，且磁传感器(3)位于感应磁片(7)的正上方，对目标方位角信息进行探测，磁传感器(3)、激光发射模块(1)、激光接收模块(5)、电机(8)分别与主控制模块(4)连接；激光发射模块(1)固定在棱锥形反射棱镜(2)的顶点正前方，保证发射激光能够照射到棱锥形反射棱镜(2)的每一个三角形侧面上，激光束可以通过棱锥形反射棱镜(2)反射后，经透光窗口(6)进行发射和接收；激光接收模块(5)位于激光发射模块(1)的正下方，主控制模块(4)固定在接收模块(5)的前方，处于舱体的前端，对信号进行处理。2.根据权利要求1所述的用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置，其特征在于：电机(8)加载棱锥形反射棱镜(2)后的转数≥30000r/min。3.根据权利要求1所述的用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置，其特征在于：棱锥形反射棱镜(2)底面为正多边形，每一个三角形侧面的倾角为45°，棱锥形反射棱镜(2)中心轴与透光窗口(6)轴线平行，棱锥形反射棱镜(2)结构参...

【专利技术属性】
技术研发人员：查冰婷，袁海璐，张合，戴炜，高彦亮，郑震，徐陈又诗，丁立波，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32