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(1.長江科學院 河流研究所，武漢 430010； 2.武漢大學 電子信息學院，武漢 430072)

河工模型斷面水面邊界激光快速掃描測量

胡向陽1,許明1,張文二1,馬志敏2

(1.長江科學院 河流研究所，武漢 430010； 2.武漢大學 電子信息學院，武漢 430072)

針對河工模型大范圍斷面垂線流速的自動采集系統(tǒng)對水面邊界快速測量的需要，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，實現(xiàn)了模型斷面水面邊界的快速掃描測量，并已成功應(yīng)用于河工模型大范圍流速同步采集與應(yīng)用示范項目中。該方法具有測量速度快、精度高、無接觸等優(yōu)點，是河工模型水面邊界快速測量很好的解決方案。

河工模型試驗; 激光掃描測量; CCD應(yīng)用; 測量裝置; 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)用示范項目是國家水利重大儀器專項的子項目，其任務(wù)是要實現(xiàn)河工模型大范圍流速的自動快速采集。定點流速測量已經(jīng)有很多的解決方案[1]，但模型大范圍的流速自動同步快速采集仍尚待解決。要實現(xiàn)這一目標，首先應(yīng)解決模型斷面流速的自動快速測量，而要實現(xiàn)模型斷面多路流速快速自動采集，又必須預先知道斷面水面邊界的準確位置，也就是說，事先應(yīng)當完成斷面水面邊界的自動測量，測量系統(tǒng)才能根據(jù)已知的水面邊界信息，正確地實現(xiàn)各垂線流速儀的水平定位，進而完成斷面垂線流速的自動采集。另一方面，過水面積、斷面流量的計算都需要知道斷面水面邊界的準確坐標。實際上，斷面水面邊界自動測量在河工模型測量系統(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，才能正確控制測量探頭的自動入水和控制掃描測量的范圍；在表面流場的成像測量時，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，以便表面流場信號的分析提取。水面邊界測量應(yīng)用的實例很多，不一一例舉。

遺憾的是，之前還未見一種自動、快速、準確測量模型水面邊界的方法和相關(guān)應(yīng)用報道。實際模型測量過程中主要依靠人工目測或采取現(xiàn)場人工定位的方法，將流速儀定位到相應(yīng)位置，再進行流速采集，顯然無法滿足斷面流速自動、快速測量的要求。

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

2 測量方案分析

為較好解決模型斷面水面邊界的測量，尋求最好的解決方案，本項目先后對阻抗、超聲、圖像測量及激光測量方法進行了分析和試驗驗證。

2.1 阻抗點式測量

阻抗點式測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施測。 這種方法有2個缺點：一是分辨率低，水面邊界的識別精度取決于設(shè)定的測量步距，步距太密，測量耗時太多；二是只能采用逐點測量模式，所以測量速度慢，難以滿足水面邊界快速測量的要求。

2.2 超聲掃描

超聲掃描利用高頻氣介式超聲探頭沿斷面方向進行掃描，測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)點是實現(xiàn)水面邊界的快速掃描，并適合斷面多個孤立水域邊界的自動識別，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，不宜作為地形測量的結(jié)果使用。正因為如此，水面邊界識別的誤差也相對較大。

2.3 圖像測量

圖像測量與人工目測的原理相同，即利用視頻攝像頭對水面邊界進行成像，并根據(jù)水面邊界圖像信號的變化確定水面的邊界。這一方法原理上似乎可行，但實踐證明，該方法實際影響因素很多，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的差別并不明顯，有時人眼都很難判別，何況計算機只是在幾種規(guī)定算法下作出的判斷，難免出錯，可靠性比較低。

2.4 激光CCD掃描測量

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

3 激光掃描測量原理

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

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

激光器發(fā)出的激光束經(jīng)透鏡a聚焦準直，得到精細的光束，投射到被測界面，形成細小明亮的光斑，透鏡b將被測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)形成與光斑強度對應(yīng)的電脈沖輸出。而光斑在CCD陣列中的位置與被測界面位置相對應(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)系就可計算出被測界面的位置，也即激光三角法測距[5]。圖2給出了激光三角法測量物距與相距的幾何關(guān)系[4]。

注：O為測量激光光軸與成像物鏡光軸的交點(測量參考點);D為激光出光平面至被測表面參考點的距離;α為測量激光光軸與成像物鏡光軸的夾角;β為檢測器激光接受表面與成像物鏡光軸的夾角；h為被測界面高度；s和s′分別為物距和像距；d為檢測器上成像點的位移,即像移圖2 激光三角法測量原理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 實測界面位置h與像位移d的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between measured interface position h and image displacement d

化簡得

h=

(3)

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

4 水面信號的特征與水面邊界信號的提取

實際上，激光投射到水面和無水床面的信號特點是不一樣的。當激光投射到無水岸坡上時，形成單個較強的光斑，CCD輸出較強的單個脈沖信號，見圖4(a)，其中橫坐標為CCD陣列對應(yīng)的像數(shù)單元位置，縱坐標為輸出脈沖的幅度。系統(tǒng)計算出該光斑的垂直距離就可得到岸坡地形的高度；當激光投射到水面時，通常會形成2個強弱不同的光斑，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，大部分激光進入水體，水流清澈時會在床底形成較強的光斑?？梢?，當激光照射在無水床面時，只有一個光斑，而照射到水面時，會形成強弱不同的2個光斑，且水面光斑的位置在水下床面光斑之前。根據(jù)這一特點，分析CCD輸出的脈沖信號的個數(shù)和強弱情況，就可以確定當前光斑是水上坡岸地形還是水面和水下床面地形，進而提取出整個水面線。圖4(c)是經(jīng)過放大整形后輸出的光斑脈沖信號。

圖4 不同界面CCD輸出脈沖信號特性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 測量系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

CCD圖像測量單元包含半導體激光器、光學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,精確率定后測量精度可達0.5 mm。 CCD驅(qū)動電路采用CPLD可編程邏輯器件[6]，主要完成CCD圖像傳感器信號采樣和信號讀出所需要的各種時序信號產(chǎn)生。

掃描驅(qū)動電路主要完成水平行走機構(gòu)的控制與驅(qū)動，從而實現(xiàn)激光測量系統(tǒng)的沿斷面方向的水平掃描測量。水平位置傳感器采用高精度絕對式編碼器，可以實時給出激光測量系統(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)，負責控制協(xié)調(diào)各單元的工作，從而完成CCD信號讀出、掃描行走控制和信號的后處理、傳輸。該單元與上位測量系統(tǒng)采用無線網(wǎng)絡(luò)通信方式，進行指令和數(shù)據(jù)交換，進而實現(xiàn)與地形流速測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和聯(lián)合工作。

激光水面邊界自動測量系統(tǒng)測量過程是，由微處理器控制行走機構(gòu)沿斷面方向進行掃描，每隔1 cm采集一次CCD圖像傳感器的光斑信號，讀取水面或岸坡的位置。完成斷面掃描后，系統(tǒng)自動分析提取水面線和岸坡地形，進而得到水面邊界,如圖5。

圖5 水面邊界激光掃描測量Fig.5 Laser scanning measurement across surface boundary

6 結(jié) 語

激光水面邊界掃描測量已成功應(yīng)用于國家重大儀器專項子項目“長江防洪模型大范圍流速同步采集與應(yīng)用示范”系統(tǒng)中，實現(xiàn)了模型斷面水面邊界的自動、準確測量和多路流速傳感器的自動定位，促進了大范圍流速自動測量系統(tǒng)的成功研制與應(yīng)用。該方法還具有無接觸測量、精度高、速度快，密度高、測量可靠等特點，能實現(xiàn)單一水域和含洲灘的復雜水域多重邊界的自動識別，不失為模型水面邊界自動測量的先進有效手段。

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

[2] 馬志敏,范北林,許 明,等.河工模型三維地形測量系統(tǒng)的研制[J].長江科學院院報,2006,23(1):47-49.

[3] 胡向陽,馬 輝,許 明,等.河工模型斷面垂線流速自動測量系統(tǒng)的研究[J].長江科學院院報,2015,32(12):139-143.

[4] 田原嫄, 譚慶昌. 基于PSD激光三角測距傳感器的最優(yōu)設(shè)計[J]. 微計算機信息, 2008, 24(5)：3-4,30.

[5] 趙震方, 劉治華, 李建鵬. 一種新型CCD的驅(qū)動時序產(chǎn)生方法[J]. 機床與液壓, 2010, 38(22):92-94.

[6] 黃彤津, 朱禮堯, 遲涵文,等. 基于CPLD的線陣CCD驅(qū)動電路的設(shè)計[J]. 電子測量技術(shù), 2014, 37(7):66-70.

(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

國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項(2011YQ070055)

胡向陽(1964-)，女，浙江東陽人，教授級高級工程師，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