在深海多金屬礦物資源勘探中,海底攝像拖體離底高度信息是多金屬礦物資源量評估的一項(xiàng)重要參數(shù),目前主要使用水下高度計(jì)進(jìn)行測量。水下高度計(jì)測量頻率為1 Hz,不能實(shí)時(shí)測量顯示海底攝像拖體運(yùn)行過程中離底高度信息的變化,存在離底高度與視頻圖像不同步匹配的問題。同時(shí),水下高度計(jì)不能為視頻圖像提供比例尺,無法實(shí)現(xiàn)礦物大小、覆蓋面積、覆蓋率的實(shí)時(shí)有效測量。針對以上問題,本文從離底高度信息的實(shí)時(shí)測量和提供圖像比例尺的需求出發(fā),設(shè)計(jì)并研制了一套基于圖像的水下三點(diǎn)激光測距系統(tǒng)。創(chuàng)新性地將帶有固定俯角的水下激光器組與水下成像系統(tǒng)相結(jié)合,對系統(tǒng)的激光器組、成像系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、深海密封艙體的結(jié)構(gòu)及密封系統(tǒng)等軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)�？紤]角度對測距精度的影響,建立了三種角度情況下(垂直、存在旋轉(zhuǎn)角、存在俯仰角)的三點(diǎn)激光測距理論模型,推導(dǎo)了距離與水下激光光斑圖像之間的數(shù)學(xué)關(guān)系�？諝庵写罱ǘ�(biāo)測試平臺,完成了三點(diǎn)激光測距定標(biāo)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了三種角度情況下三點(diǎn)激光測距模型的可行性,為提高角度類型未知時(shí)三點(diǎn)激光測距的精度,探究了統(tǒng)一的三點(diǎn)激光測距定標(biāo)公式。水下激光測距實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,使用優(yōu)化后的水下三點(diǎn)激光測距算法,在水下10m測試范圍內(nèi),測距誤差平均值為1.5 cm,相對誤差平均值為0.3%。探究實(shí)驗(yàn)表明:水體濁度對水下三點(diǎn)激光測距系統(tǒng)測距精度幾乎無影響,系統(tǒng)穩(wěn)定性高。將水下三點(diǎn)激光測距與水下高度計(jì)和水下單點(diǎn)激光測距儀進(jìn)行對比討論,相比之下水下三點(diǎn)激光測距系統(tǒng)的測距實(shí)時(shí)性高,水體濁度對其測距影響小,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。同時(shí)三點(diǎn)激光測距系統(tǒng)具有圖像比例尺功能,可在測距的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體尺寸、面積的測量,為水體目標(biāo)探測提供新的測量手段。最后,此套三點(diǎn)激光測距系統(tǒng)被應(yīng)用于2017年7月大洋41B航次和2018年9月大洋51航次深海多金屬礦物資源勘探任務(wù),實(shí)現(xiàn)了對海底攝像拖體離底高度、礦物覆蓋面積、覆蓋率的實(shí)時(shí)有效測量,為深海多金屬礦物資源的定量化勘探評估提供了有效的技術(shù)支撐。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN249;P715
【部分圖文】：

邐逡逑Ｔｒｉｔｅｃｈ、Ｖａｌｅｐｏｒｔ、Ｋｏｎｇｓｂｅｒｇ、Ｓｕｂｓｅａ邋等公司產(chǎn)品。Ｖａｌｅｐｏｒｔ邋公司型號為邋ＶＡ５００邋水下高度逡逑計(jì)，如圖１．１所示，使用５００ｋＨｚ寬帶換能器，測距范圍為０．１ｍ？１００ｍ，數(shù)據(jù)傳輸頻率有逡逑１、２、４Ｈｚ可選，具體參數(shù)如表１．１所示。逡逑圖１．邋１邋ＶａｌｅｐｏｒｔＶＡ５００水下高度計(jì)逡逑表１．邋１邋Ｖａｌｅｐｏｒｔ邋ＶＡ５００水下高度計(jì)產(chǎn)品參數(shù)表逡逑＂參數(shù)類別邐參數(shù)值邐參數(shù)類別邐參數(shù)值逡逑換能器頻率邐５００邋ｋＨｚ邐使用水深邐６０００邋ｍ逡逑測距范圍邐０．１邋ｍ？１００邋ｍ邐殼體邐鈦逡逑分辨率邐１ｍｍ邐輸入電壓邐９？２８ＶＤＣ逡逑光束角邐±３。邐功率邐＞１２５ｍＡ＠１２Ｖ逡逑數(shù)據(jù)傳輸洰邐Ｋ邋２，４Ｈｚ邐尅逡逑邐１９５邋ｍｍ含連接器長度逡逑由表１．１中水下高度計(jì)產(chǎn)品參數(shù)表可知，水下高度計(jì)測量精度高，數(shù)據(jù)傳輸顯示頻率逡逑低。在大洋科考過程中，海底攝像拖體工作行駛速度較快，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸頻率為１邋Ｈｚ時(shí)，逡逑離底高度的數(shù)值信息會有１ｓ的測量延遲，此１ｓ時(shí)間內(nèi)的視頻中并無對應(yīng)的實(shí)時(shí)離底高逡逑度信息�？梢�，水下高度計(jì)不能實(shí)時(shí)顯示記錄當(dāng)前海底攝像拖體的離底高度，存在離底高逡逑度與視頻圖像不同步匹配的問題。逡逑深海環(huán)境中攝像拖體為獲得清晰的圖像，其作業(yè)高度必須在一個較小的范圍內(nèi)，運(yùn)動逡逑時(shí)會擾動海底

次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制激光信號的波長計(jì)算出該相位延遲所代表的距離，也就逡逑是用測量相位變化的間接方法代替直接測量激光的飛行時(shí)間，從而獲得被測距離信息［４３邋４４］，逡逑如圖１．２所示。逡逑準(zhǔn)直部分逡逑邐邋ｈＨ邋調(diào)制信號逡逑相位差一信號處理邋邐＾邋＾邐ｉ＼逡逑——邋Ｈ邋ｒ｝／ＶＡ邋Ａｌ邋／逡逑聚焦部分邐參考目標(biāo)逡逑圖１．２相位式激光測距系統(tǒng)圖［４３］逡逑國內(nèi)外很多科研院校在激光測距技術(shù)方面的研究大多為基于相位法的便捷式激光測逡逑距系統(tǒng)中各部分硬件電路的設(shè)計(jì)、測距算法的實(shí)現(xiàn)以及測距系統(tǒng)誤差分析等內(nèi)容［？＾］。國逡逑內(nèi)相關(guān)公司也相繼研制出了各類便捷式的相位式激光測距儀，但該類激光測距儀均不具備逡逑防水功能，只能用于陸地。逡逑西安電子科技大學(xué)的韓旭同等人［４６］在２０１４年主要對便捷式相位式激光測距儀的原理逡逑及軟硬件的實(shí)現(xiàn)方案（自動功率控制（ＡＰＣ）驅(qū)動電路、雪崩二極管ＡＰＤ的溫度補(bǔ)償電路、逡逑接收徵弱信號故大電路）等內(nèi)容進(jìn)行了研究；四川師范大學(xué)的孔琪等人［４７］在２０１８年利用混逡逑４逡逑

脈沖式激光測距，其基本原理為通過測量脈沖激光到待測目標(biāo)的往返所記錄的脈沖個逡逑數(shù)，從而計(jì)算時(shí)間差ｚｌ／，激光的傳播速度已知，進(jìn)而測得待測距離［４３￣５２］，測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如逡逑圖１．３所示。逡逑控制處理模塊邐邐激光發(fā)射楔塊邐？待逡逑開始信號逡逑邐邋１邐測逡逑＿，，邐！終止信號丨邐＠逡逑時(shí)＿激光接收模塊＾——標(biāo)逡逑圖１．３脈沖式激光測距系統(tǒng)圖逡逑■邐ＣＣＤ邋或邋ＣＭＯＳ邐？邐ＣＣＤ邋或邋ＣＭＯＳ邋＾逡逑；激光器邐激光器邐Ｅ逡逑ｘ邐被n,物體面邐工邐被測物體面逡逑圖丨．４三角式激光測距系統(tǒng)圖Ｉ５＇左：直射式三角激光測距，右：斜射式三角激光測距逡逑三角式激光測距，即激光光源、被測面、光電接收器共同構(gòu)成一個三角形光路，由激逡逑光器發(fā)出的光束，經(jīng)過發(fā)射透鏡聚焦后入射到被測物體表面上，光接收系統(tǒng)接收來自入射逡逑５逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2832246