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(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010； 2.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，武漢 430072)

河工模型斷面水面邊界激光快速掃描測(cè)量

胡向陽(yáng)1,許明1,張文二1,馬志敏2

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010； 2.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，武漢 430072)

針對(duì)河工模型大范圍斷面垂線流速的自動(dòng)采集系統(tǒng)對(duì)水面邊界快速測(cè)量的需要，研制出了一種基于激光掃描原理的水面邊界快速測(cè)量裝置，該裝置采用高分辨率線陣式CCD和激光三角法原理，實(shí)現(xiàn)了模型斷面水面邊界的快速掃描測(cè)量，并已成功應(yīng)用于河工模型大范圍流速同步采集與應(yīng)用示范項(xiàng)目中。該方法具有測(cè)量速度快、精度高、無(wú)接觸等優(yōu)點(diǎn)，是河工模型水面邊界快速測(cè)量很好的解決方案。

河工模型試驗(yàn); 激光掃描測(cè)量; CCD應(yīng)用; 測(cè)量裝置; 模型水面邊界

1 研究背景

河工模型大范圍流速同步采集與應(yīng)用示范項(xiàng)目是國(guó)家水利重大儀器專項(xiàng)的子項(xiàng)目，其任務(wù)是要實(shí)現(xiàn)河工模型大范圍流速的自動(dòng)快速采集。定點(diǎn)流速測(cè)量已經(jīng)有很多的解決方案[1]，但模型大范圍的流速自動(dòng)同步快速采集仍尚待解決。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先應(yīng)解決模型斷面流速的自動(dòng)快速測(cè)量，而要實(shí)現(xiàn)模型斷面多路流速快速自動(dòng)采集，又必須預(yù)先知道斷面水面邊界的準(zhǔn)確位置，也就是說(shuō)，事先應(yīng)當(dāng)完成斷面水面邊界的自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)才能根據(jù)已知的水面邊界信息，正確地實(shí)現(xiàn)各垂線流速儀的水平定位，進(jìn)而完成斷面垂線流速的自動(dòng)采集。另一方面，過(guò)水面積、斷面流量的計(jì)算都需要知道斷面水面邊界的準(zhǔn)確坐標(biāo)。實(shí)際上，斷面水面邊界自動(dòng)測(cè)量在河工模型測(cè)量系統(tǒng)中有著許多的應(yīng)用[1]。例如，在模型水下地形超聲掃描過(guò)程中，需要事先知道斷面水面的范圍和位置，才能正確控制測(cè)量探頭的自動(dòng)入水和控制掃描測(cè)量的范圍；在表面流場(chǎng)的成像測(cè)量時(shí)，需要根據(jù)模型斷面水面邊界信息，完成水面與河岸圖像邊界的分割，以便表面流場(chǎng)信號(hào)的分析提取。水面邊界測(cè)量應(yīng)用的實(shí)例很多，不一一例舉。

遺憾的是，之前還未見一種自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確測(cè)量模型水面邊界的方法和相關(guān)應(yīng)用報(bào)道。實(shí)際模型測(cè)量過(guò)程中主要依靠人工目測(cè)或采取現(xiàn)場(chǎng)人工定位的方法，將流速儀定位到相應(yīng)位置，再進(jìn)行流速采集，顯然無(wú)法滿足斷面流速自動(dòng)、快速測(cè)量的要求。

因此，要實(shí)現(xiàn)大范圍流速同步自動(dòng)采集的任務(wù)，必須先解決模型斷面水面邊界的自動(dòng)測(cè)量。同時(shí)，模型斷面水面邊界的測(cè)量方式和測(cè)量速度也將影響系統(tǒng)的測(cè)量效率和系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。因此，尋求斷面水面邊界的快速自動(dòng)測(cè)量的方法、研制相應(yīng)的測(cè)量裝置，也是本子項(xiàng)目要解決的問題之一。

2 測(cè)量方案分析

為較好解決模型斷面水面邊界的測(cè)量，尋求最好的解決方案，本項(xiàng)目先后對(duì)阻抗、超聲、圖像測(cè)量及激光測(cè)量方法進(jìn)行了分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1 阻抗點(diǎn)式測(cè)量

阻抗點(diǎn)式測(cè)量利用阻抗電極并配合力傳感器[2-3]，根據(jù)事先設(shè)定的步距，沿模型斷面方向逐點(diǎn)施測(cè)。 這種方法有2個(gè)缺點(diǎn)：一是分辨率低，水面邊界的識(shí)別精度取決于設(shè)定的測(cè)量步距，步距太密，測(cè)量耗時(shí)太多；二是只能采用逐點(diǎn)測(cè)量模式，所以測(cè)量速度慢，難以滿足水面邊界快速測(cè)量的要求。

2.2 超聲掃描

超聲掃描利用高頻氣介式超聲探頭沿?cái)嗝娣较蜻M(jìn)行掃描，測(cè)得超聲波傳感器與在岸坡或水面的距離，分析距離的變化情況可以確定水面的位置和水面的邊界。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)水面邊界的快速掃描，并適合斷面多個(gè)孤立水域邊界的自動(dòng)識(shí)別，但由于氣介式超聲波聲束的開束角比較大，地形分辨率比較低，所以岸坡地形掃描的數(shù)據(jù)偏差比較大，不宜作為地形測(cè)量的結(jié)果使用。正因?yàn)槿绱耍孢吔缱R(shí)別的誤差也相對(duì)較大。

2.3 圖像測(cè)量

圖像測(cè)量與人工目測(cè)的原理相同，即利用視頻攝像頭對(duì)水面邊界進(jìn)行成像，并根據(jù)水面邊界圖像信號(hào)的變化確定水面的邊界。這一方法原理上似乎可行，但實(shí)踐證明，該方法實(shí)際影響因素很多，如岸邊和洲灘的坡度、模型沙顏色、周圍的光照、水面的浮沙等都會(huì)影響水面邊界的正確判別，特別是在岸坡很平緩的情況下，水面邊界的圖像信號(hào)的差別并不明顯，有時(shí)人眼都很難判別，何況計(jì)算機(jī)只是在幾種規(guī)定算法下作出的判斷，難免出錯(cuò)，可靠性比較低。

2.4 激光CCD掃描測(cè)量

激光掃描測(cè)量方法利用激光微距測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)水面和岸坡的無(wú)接觸快速掃描，直接獲取斷面岸坡的高度和水面的高度，通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理即可得到水面邊界和岸坡地形，具有測(cè)量精度高、光斑小、分辨率高、速度快、適應(yīng)性好的特點(diǎn)，能同時(shí)測(cè)量水上岸坡地形，所以不失為水面邊界快速識(shí)別的有效方法。

3 激光掃描測(cè)量原理

激光微距測(cè)量單元主要由半導(dǎo)體激光器、線陣式CCD傳感器、光學(xué)聚焦系統(tǒng)和信號(hào)處理電路組成[4]，見圖1。

圖1 激光微距測(cè)量單元組成Fig.1 Schematic diagram of a laser measurement unit

激光器發(fā)出的激光束經(jīng)透鏡a聚焦準(zhǔn)直，得到精細(xì)的光束，投射到被測(cè)界面，形成細(xì)小明亮的光斑，透鏡b將被測(cè)界面反射的光斑成像到CCD陣列的相應(yīng)單元。CCD陣列是一種線陣式圖像傳感器，光斑的像單元受光斑激發(fā)形成與光斑強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電脈沖輸出。而光斑在CCD陣列中的位置與被測(cè)界面位置相對(duì)應(yīng)，構(gòu)成特定三角幾何關(guān)系。利用像距與物距之間的三角關(guān)系就可計(jì)算出被測(cè)界面的位置，也即激光三角法測(cè)距[5]。圖2給出了激光三角法測(cè)量物距與相距的幾何關(guān)系[4]。

注：O為測(cè)量激光光軸與成像物鏡光軸的交點(diǎn)(測(cè)量參考點(diǎn));D為激光出光平面至被測(cè)表面參考點(diǎn)的距離;α為測(cè)量激光光軸與成像物鏡光軸的夾角;β為檢測(cè)器激光接受表面與成像物鏡光軸的夾角；h為被測(cè)界面高度；s和s′分別為物距和像距；d為檢測(cè)器上成像點(diǎn)的位移,即像移圖2 激光三角法測(cè)量原理Fig.2 Schematic diagram of laser triangulation measurement

從圖2不難看出，ΔP′NA～ΔPMA，即有,

(1)

根據(jù)幾何關(guān)系，將有關(guān)參數(shù)代入得

(2)

圖3 實(shí)測(cè)界面位置h與像位移d的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between measured interface position h and image displacement d

化簡(jiǎn)得

h=

(3)

式中：s，s′，α，β均為結(jié)構(gòu)常數(shù)；d為對(duì)應(yīng)被測(cè)界面的影像位移，由CCD陣列讀出。由式(3)可以計(jì)算出被測(cè)界面的位置(見圖3)。

4 水面信號(hào)的特征與水面邊界信號(hào)的提取

實(shí)際上，激光投射到水面和無(wú)水床面的信號(hào)特點(diǎn)是不一樣的。當(dāng)激光投射到無(wú)水岸坡上時(shí)，形成單個(gè)較強(qiáng)的光斑，CCD輸出較強(qiáng)的單個(gè)脈沖信號(hào)，見圖4(a)，其中橫坐標(biāo)為CCD陣列對(duì)應(yīng)的像數(shù)單元位置，縱坐標(biāo)為輸出脈沖的幅度。系統(tǒng)計(jì)算出該光斑的垂直距離就可得到岸坡地形的高度；當(dāng)激光投射到水面時(shí)，通常會(huì)形成2個(gè)強(qiáng)弱不同的光斑，見圖4(b)。這是由于水面反射性比較弱，形成的水面光斑也比較弱，大部分激光進(jìn)入水體，水流清澈時(shí)會(huì)在床底形成較強(qiáng)的光斑?？梢?，當(dāng)激光照射在無(wú)水床面時(shí)，只有一個(gè)光斑，而照射到水面時(shí)，會(huì)形成強(qiáng)弱不同的2個(gè)光斑，且水面光斑的位置在水下床面光斑之前。根據(jù)這一特點(diǎn)，分析CCD輸出的脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)和強(qiáng)弱情況，就可以確定當(dāng)前光斑是水上坡岸地形還是水面和水下床面地形，進(jìn)而提取出整個(gè)水面線。圖4(c)是經(jīng)過(guò)放大整形后輸出的光斑脈沖信號(hào)。

圖4 不同界面CCD輸出脈沖信號(hào)特性Fig.4 Pulse signal characteristics of CCDs’ outputs on different surfaces

設(shè)δ為CCD像單元的間距，Ni為水面光斑對(duì)應(yīng)的脈沖中心像單元數(shù)，則總像位移為：d=Ni×δ，代入式(3)得

(4)

由此可以計(jì)算出水面和岸坡地形的位置，水面線與岸坡的交界處即為斷面水面邊界。

5 測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

激光水面邊界掃描測(cè)量單元由CCD線陣式傳感器、CCD驅(qū)動(dòng)電路、水平掃描驅(qū)動(dòng)電路、水平行走機(jī)構(gòu)、水平位置傳感器、無(wú)線通信接口、微處理器等部分組成[5]。

CCD圖像測(cè)量單元包含半導(dǎo)體激光器、光學(xué)聚焦單元和高分辨率的線陣式CCD圖像傳感器。系統(tǒng)采用松下1501D線陣CCD傳感器，有效像素為5 000單元，設(shè)計(jì)有效量程為500 mm，最高分辨率為0.1 mm/pix,最低分辨率為0.2 mm/pix,精確率定后測(cè)量精度可達(dá)0.5 mm。 CCD驅(qū)動(dòng)電路采用CPLD可編程邏輯器件[6]，主要完成CCD圖像傳感器信號(hào)采樣和信號(hào)讀出所需要的各種時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生。

掃描驅(qū)動(dòng)電路主要完成水平行走機(jī)構(gòu)的控制與驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)激光測(cè)量系統(tǒng)的沿?cái)嗝娣较虻乃綊呙铚y(cè)量。水平位置傳感器采用高精度絕對(duì)式編碼器，可以實(shí)時(shí)給出激光測(cè)量系統(tǒng)的斷面方向的水平位置，精度優(yōu)于1 mm。

微處理器采用高性能嵌入式系統(tǒng)，負(fù)責(zé)控制協(xié)調(diào)各單元的工作，從而完成CCD信號(hào)讀出、掃描行走控制和信號(hào)的后處理、傳輸。該單元與上位測(cè)量系統(tǒng)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信方式，進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與地形流速測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和聯(lián)合工作。

激光水面邊界自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程是，由微處理器控制行走機(jī)構(gòu)沿?cái)嗝娣较蜻M(jìn)行掃描，每隔1 cm采集一次CCD圖像傳感器的光斑信號(hào)，讀取水面或岸坡的位置。完成斷面掃描后，系統(tǒng)自動(dòng)分析提取水面線和岸坡地形，進(jìn)而得到水面邊界,如圖5。

圖5 水面邊界激光掃描測(cè)量Fig.5 Laser scanning measurement across surface boundary

6 結(jié) 語(yǔ)

激光水面邊界掃描測(cè)量已成功應(yīng)用于國(guó)家重大儀器專項(xiàng)子項(xiàng)目“長(zhǎng)江防洪模型大范圍流速同步采集與應(yīng)用示范”系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了模型斷面水面邊界的自動(dòng)、準(zhǔn)確測(cè)量和多路流速傳感器的自動(dòng)定位，促進(jìn)了大范圍流速自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的成功研制與應(yīng)用。該方法還具有無(wú)接觸測(cè)量、精度高、速度快，密度高、測(cè)量可靠等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)單一水域和含洲灘的復(fù)雜水域多重邊界的自動(dòng)識(shí)別，不失為模型水面邊界自動(dòng)測(cè)量的先進(jìn)有效手段。

[1] 蔡守允, 謝 瑞, 韓世進(jìn),等. 多功能智能流速儀[J]. 海洋工程, 2004, 22(2):83-86.

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Rapid Laser Scanning Measurement of Water SurfaceBoundary in River Model

HU Xiang-yang1, XU Ming1, ZHANG Wen-er1, MA Zhi-min2

(1.River Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China; 2.School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

In response to the demand of rapid measurement of water surface boundary in river model test, an instrument based on the laser scanning principle is developed. The instrument adopts high-resolution line matrix CCD and laser triangulation principle to detect and identify the water surface rapidly. It has been successfully applied to the synchronization acquisition of a wide range of flow velocity in physical river model. The instrument has advantages of high speed, high precision, and non-contact measuring, hence could be a feasible alternative for rapid measurement of water surface boundary in physical river model.

river model test; laser scanning measurement; line matrix CCD; measurement device; water surface boundary of river model

2016-07-01;

2016-08-04

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2011YQ070055)

胡向陽(yáng)(1964-)，女，浙江東陽(yáng)人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事河道治理研究和科研條件建設(shè)工作，(電話)027-82829789(電子信箱) huxiangyang9789@163.com。

10.11988/ckyyb.20160669 2017,34(11):144-147

TV131.66

A

1001-5485(2017)11-0144-04