專利名稱：基于日盲紫外光信號的引航儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及船舶引航靠泊的技術(shù)，具體的說，涉及一種基于日盲紫外光信號的引航儀。
背景技術(shù)：
日盲紫外波段是指紫外UVC波段中波長范圍為190—290nm的部分。太陽發(fā)出的日盲紫外波段光點在穿越地球大氣層的過程中受到臭氧層的強烈吸收，完全無法到達地面，因此日常情況下在地球表面附近完全沒有日盲紫外波段的光信號。日盲紫外波段的探測器有很高的增益，又不受太陽光背景的影響，因此相比較可見光或紅外光波段而言，日盲紫外探測器可以探測到更遠更微弱的信號。同時日盲紫外波段的圖像較為簡單，完全沒有環(huán)境背景，所拍攝到的圖像幾乎都為特定信號，這樣大大降低了后續(xù)圖像處理的工作量。日盲紫外波段有著很好的破霧能力，這已經(jīng)在相關(guān)文獻里得到了證實。我們經(jīng)過實測也證實了日盲紫外探測技術(shù)可以實現(xiàn)能見度為100多米的霧天下定位600米外的日盲紫外光源。這是日盲紫外特性用于船舶破霧弓I航靠泊的基礎(chǔ)。在水運領(lǐng)域，霧天嚴重影響著水運航道的通暢。不同港口和航道的水文條件有所差別，但是通常能見度小于I海里時船舶要減緩航行；能見度小于IOOOm時大型船舶應當停止航行，因此霧天不僅影響著船舶航行的安全，也嚴重影響著水運航道和港口物流的通暢(見《上海港長江口水域交通管理規(guī)則》第十條)。霧天下由于能見度較低，常常發(fā)生諸如大型船舶撞毀橋墩等嚴重事故，同時船舶過壩時也受到霧天的影響，霧天時船舶必須停止過壩。目前國內(nèi)外常見的水運導航技術(shù)主要有么1 ^、6 5、六153015、雷達等。但對于水路運輸而言，惡劣天氣的 影響是巨大的。如在霧天，ARPA雷達引航的準確性大大下降，特別是在船舶靠泊的過程中，由于雷達系統(tǒng)架設(shè)在船舶上的較高位置，在工作時只能探測較遠處的情況而無法探測到和船舶距離越來越近的港口處的情況，因而無法進行引航和靠泊。這就意味著一旦出現(xiàn)大霧等惡劣天氣，船舶引航員肉眼無法觀察前進路線情況時，港口只能采取封航的措施。長期以來引航員一直采用目視這種最直觀的定位手段，通過觀察岸標、浮筒等來判斷船舶是否航行在航道中，但是目視瞭望往往受能見度和燈標亮度等條件影響，引航受到很大限制。引航員迫切需要更具有直觀、便捷、適應引航要求的裝備。因此，若能在船舶引航靠泊的過程中很好的應用日盲紫外光的“日盲”特性和破霧特性，將很好的解決上述問題，填補現(xiàn)有技術(shù)所存在的空缺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是將日盲紫外波段光出色的破霧性能與水運領(lǐng)域相結(jié)合，提供基于日盲紫外光信號的引航儀，解決霧天下水運引航靠泊的安全問題，實現(xiàn)船舶的安全航行與靠泊。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為: 基于日盲紫外光信號的引航儀，由三軸電子羅盤、光學成像模塊和信息處理終端組成；所述三軸電子羅盤與光學成像模塊相連，獲取所述光學成像模塊在轉(zhuǎn)動時的各角度信息，并將角度信息傳送給信息處理終端； 所述光學成像模塊由分光鏡、可見光或紅外光成像通道和日盲紫外光成像通道組成；所述分光鏡將入射光線按一定比例或波長分成兩束，使其分別進入所述可見光或紅外光成像通道和日盲紫外成像通道，所述可見光或紅外光成像通道接收可見光信號或紅外光信號，輸出可見光或紅外光視頻數(shù)字信號，所述日盲紫外光成像通道接收日盲紫外光信號，輸出日盲紫外光視頻數(shù)字信號，所述信息處理終端用于根據(jù)兩路視頻的數(shù)字信號，計算船舶的航行姿態(tài)數(shù)據(jù)和輸出合成信息至所述顯示系統(tǒng)。
作為本發(fā)明的進一步改進，所述引航儀中還設(shè)有視頻采集模塊；所述可見光或紅外光成像通道接收可見光信號或紅外光信號，輸出可見光或紅外光視頻模擬信號至視頻采集模塊，所述日盲紫外光成像通道接收日盲紫外光信號，輸出日盲紫外光視頻模擬信號至視頻采集模塊，所述視頻采集模塊采集上述兩路通道的模擬視頻信息，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的視頻，傳送給所述信息處理終端。此時，所述可見光或紅外光成像通道和日盲紫外光成像通道輸出的是視頻模擬信號。
所述合成信息可以是可見光或紅外光和日盲紫外光合成視頻、船舶的航行姿態(tài)數(shù)據(jù)及輔助設(shè)備信息合成顯示，也可以是將日盲紫外視頻數(shù)字信號、可見光或紅外光視頻數(shù)字信號、計算所得航行姿態(tài)數(shù)據(jù)和水運電子海圖或三維電子海圖相結(jié)合，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到的仿真實景圖。
作為本發(fā)明的進一步改進，所述紅外光成像通道為短波紅外成像通道，其可以為日盲紫外圖像提供更清晰的背景參考信息。
作為本發(fā)明的進一步改進，所述的短波紅外成像通道為InGaAs材料的面陣探測器或附著近紅外濾光片的(XD/CM0S器件。
作為本發(fā)明的進一步改進，所述分光鏡和入射光軸成45度夾角放置，所述可見光或紅外光成像通道和日盲紫外光成像通道兩個通道中的一個通道的光學鏡頭與入射光軸平行，另一個通道的光學鏡頭與入射光軸垂直設(shè)置。
作為本發(fā)明的進一步改進，所述光學成像模塊中還設(shè)有反射鏡，所述分光鏡和入射光軸成45度夾角放置，所述可見光或紅外光成像通道和日盲紫外光成像通道兩個通道中的一個通道的光學鏡頭與入射光軸平行，所述分光鏡將分光后的一束光透射至其中一個通道中；反射鏡與所述分光鏡平行，將分光后的另一束光反射至另一通道中。
作為本發(fā)明的進一步改進，所述引航儀中還設(shè)有輔助設(shè)備，輔助設(shè)備輸出航行信息至信息處理終端。輔助設(shè)備包含AIS、船載雷達、GPS等裝置，它們可以提供船舶在水文環(huán)境中的地理位置經(jīng)緯度、船舶航行時的速度、航向、吃水深度以及水運電子海圖或三維電子海圖等航行信息。
所述信息處理終端執(zhí)行如下步驟:對日盲紫外光信號進行日盲紫外光源位置計算，獲得船舶和碼頭處日盲紫外光源的相對方位及相對距離，并對所有獲取的信息進行合成輸出。
所述進行日盲紫外光源位置計算具體包括:[ 1)首先系統(tǒng)初始化，獲取日盲紫外視頻數(shù)字信號；
[2)通過設(shè)置閾值對日盲紫外圖像上的噪聲點進行強度或形態(tài)過濾；
[3)基于過濾掉噪聲點后的日盲紫外視頻的圖像，判斷日盲紫外光源的個數(shù)K，設(shè)置K個初始日盲紫外光源位置作為初始中心；
[4)將日盲紫外圖像上所有的光點，根據(jù)它們與上述K個初始中心的距離，按光點和一個集合的初始中心較近的原則，分配給各初始中心，形成K個含有若干光點的集合；
[5)計算每個集合中各光點和初始中心之間的相對位置誤差，并將所有集合中光點和初始中心之間的相對位置誤差的總和作為第一誤差值；
[6)計算每個集合的新中心，新中心位置為該集合中所有光點位置的均值； [7)計算每個集合中各光點和新中心的之間的相對位置誤差，并將所有集合中光點和新中心的之間的相對位置誤差的總和作為第二誤差值；
[8)進行誤差收斂判別:將第一誤差值和第二誤差值進行比較，若兩者的差值小于設(shè)定值，則視為誤差收斂，保存數(shù)據(jù)，將新中心位置作為各日盲紫外光源的位置；若兩者的差值不小于設(shè)定值，判斷對第一誤差值和第二誤差值進行比較的計算次數(shù)，若計算次數(shù)小于設(shè)定的計算次數(shù)N則將新中心作為初始中心，返回步驟4)，形成新的K個日盲紫外光源位置的集合，如此循環(huán)，若計算次數(shù)不小于設(shè)定的計算次數(shù)N，則說明誤差不收斂，此時返回步驟3)。所述“獲得船舶和目標處日盲紫外光源的相對方位及相對距離”具體包括如下步驟:
O首先計算碼頭處日盲紫外光源在日盲紫外成像通道坐標系中的坐標U。，yc, zc):根
據(jù)
權(quán)利要求
1.基于日盲紫外光信號的引航儀，其特征是，所述引航儀由三軸電子羅盤、光學成像模塊和信息處理終端組成；所述三軸電子羅盤與光學成像模塊相連，獲取所述光學成像模塊的在轉(zhuǎn)動時的各角度信息，并將角度信息傳送給信息處理終端；所述光學成像模塊由分光鏡、可見光或紅外光成像通道和日盲紫外光成像通道組成；所述分光鏡將入射光線按一定比例或波長分成兩束，使其分別進入所述可見光或紅外光成像通道和日盲紫外成像通道，所述可見光或紅外光成像通道接收可見光信號或紅外光信號，輸出可見光或紅外光視頻數(shù)字信號，所述日盲紫外光成像通道接收日盲紫外光信號，輸出日盲紫外光視頻數(shù)字信號，所述信息處理終端用于根據(jù)兩路視頻的數(shù)字信號，計算船舶的航行姿態(tài)數(shù)據(jù)和輸出合成信肩、O
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的引航儀，其特征是，所述引航儀中還設(shè)有視頻采集模塊；所述可見光或紅外光成像通道接收可見光信號或紅外光信號，輸出可見光或紅外光視頻模擬信號至視頻采集模塊，所述日盲紫外光成像通道接收日盲紫外光信號，輸出日盲紫外光視頻模擬信號至視頻采集模塊，所述視頻采集模塊采集上述兩路通道的模擬視頻信息，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的視頻，傳送給所述信息處理終端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的引航儀，其特征是，所述分光鏡和入射光軸成45度夾角放置，所述可見光或紅外光成像通道和日盲紫外光成像通道兩個通道中的一個通道的光學鏡頭與入射光軸平行 ，另一個通道的光學鏡頭與入射光軸垂直設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的引航儀，其特征是，所述光學成像模塊中還設(shè)有反射鏡，所述分光鏡和入射光軸成45度夾角放置，所述可見光或紅外光成像通道和日盲紫外光成像通道兩個通道中的一個通道的光學鏡頭與入射光軸平行，所述分光鏡將分光后的一束光透射至其中一個通道中；反射鏡與所述分光鏡平行，將分光后的另一束光反射至另一通道中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的引航儀，其特征是，所述引航儀中還設(shè)有輔助設(shè)備，輔助設(shè)備輸出航行信息至信息處理終端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的引航儀，其特征是，所述紅外光成像通道為短波紅外成像通道。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的引航儀，其特征是，所述信息處理終端執(zhí)行如下步驟:對日盲紫外光信號進行日盲紫外光源位置計算，獲得船舶和碼頭處日盲紫外光源的相對方位及相對距離，并對所有獲取的信息進行合成輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的引航儀，其特征是，所述的短波紅外成像通道為InGaAs材料的面陣探測器或附著近紅外濾光片的(XD/CMOS器件。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的引航儀，其特征是，所述進行日盲紫外光源位置計算具體包括: O首先系統(tǒng)初始化，獲取日盲紫外視頻數(shù)字信號； 2)通過設(shè)置閾值對日盲紫外圖像上的噪聲點進行強度或形態(tài)過濾； 3)基于過濾掉噪聲點后的日盲紫外視頻的圖像，判斷日盲紫外光源的個數(shù)K，設(shè)置K個初始日盲紫外光源位置作為初始中心； 4)將日盲紫外圖像上所有的光點，根據(jù)它們與上述K個初始中心的距離，按光點和一個集合的初始中心較近的原則，分配給各初始中心，形成K個含有若干光點的集合；5)計算每個集合中各光點和初始中心的之間的相對位置誤差，并將所有集合中光點和初始中心之間的相對位置誤差的總和作為第一誤差值； 6)計算每個集合的新中心，新中心位置為該集合中所有光點位置的均值； 7)計算每個集合中各光點和新中心的之間的相對位置誤差，并將所有集合中光點和新中心的之間的相對位置誤差的總和作為第二誤差值； 8)進行誤差收斂判別:將第一誤差值和第二誤差值進行比較，若兩者的差值小于設(shè)定值，則視為誤差收斂，保存數(shù)據(jù)，將新中心位置作為各日盲紫外光源的位置；若兩者的差值不小于設(shè)定值，判斷對第一誤差值 和第二誤差值進行比較的計算次數(shù)，若計算次數(shù)小于設(shè)定的計算次數(shù)N，則將新中心作為初始中心，返回步驟4)，形成新的K個日盲紫外光源位置的集合，如此循環(huán)，若計算次數(shù)不小于設(shè)定的計算次數(shù)N，則返回步驟3)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的引航儀，其特征是，所述“獲得船舶和目標處日盲紫外光源的相對方位及相對距離”具體包括如下步驟: O首先計算碼頭處日盲紫外光源在日盲紫外成像通道坐標系中的坐標U。，yc, zc):根 據(jù)
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的引航儀，其特征是，所述“對所有獲取的信息進行合成輸出”具體包括如下步驟: 1)獲取經(jīng)日盲紫外光源位置計算的日盲紫外視頻和可見光或紅外光視頻數(shù)字信號，進行可見光或紅外光視頻/日盲紫外視頻的合成，得到同一場景下的實時視頻合成信息； 2)獲取上述三軸電子羅盤轉(zhuǎn)動時的角度，結(jié)合上述經(jīng)日盲紫外光源位置計算的日盲紫外視頻數(shù)字信號進行計算，得到船舶的航行姿態(tài)數(shù)據(jù)，航行姿態(tài)數(shù)據(jù)包括船舶航行時和碼頭處日盲紫外光源的相對方位以及船舶與碼頭處日盲紫外光源的相對距離； 3)將上述相對方位以及相對距離的信息疊加至上述可見光或紅外光/日盲紫外合成視頻上； 4)從輔助設(shè)備獲取所述航行信息，將所述航行信息疊加到上述已經(jīng)合成的包含有船舶航行姿態(tài)數(shù)據(jù)的可見光或紅外光/日盲紫外合成視頻上。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的引航儀，其特征是，所述“對所有獲取的信息進行合成輸出”具體包括如下步驟: 1)獲取經(jīng)日盲紫外光源位置計算的日盲紫外視頻數(shù)字信號和可見光或紅外光視頻數(shù)字信號; 2)獲取上述三軸電子羅盤轉(zhuǎn)動時的角度，并對上述獲取的經(jīng)日盲紫外光源位置計算的曰盲紫外視頻數(shù)字信號進行計算，得到船舶的航行姿態(tài)數(shù)據(jù)，航行姿態(tài)數(shù)據(jù)包括船舶航行時和碼頭處日盲紫外光源的相對方位以及船舶與碼頭處日盲紫外光源的相對距離； 3)從輔助設(shè)備獲取水運電子海圖或三維電子海圖； 4)將日盲紫外視頻數(shù)字信號、可見光或紅外光視頻數(shù)字信號、計算所得航行姿態(tài)數(shù)據(jù)和水運電子海圖或三維電子海圖相結(jié)合，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)輸出引航的仿真實景圖。
全文摘要
基于日盲紫外光信號的引航儀，由三軸電子羅盤、光學成像模塊和信息處理終端組成；所述三軸電子羅盤與光學成像模塊相連，獲取所述光學成像模塊的在轉(zhuǎn)動時的各角度信息，并將角度信息傳送給信息處理終端；光學成像模塊由分光鏡、可見光或紅外光成像通道和日盲紫外光成像通道組成；分光鏡將入射光線按一定比例或波長分成兩束，使其分別進入所述可見光或紅外光成像通道和日盲紫外成像通道，可見光或紅外光成像通道接收可見光信號或紅外光信號，輸出可見光或紅外光視頻數(shù)字信號，日盲紫外光成像通道接收日盲紫外光信號，輸出日盲紫外光視頻數(shù)字信號，信息處理終端用于根據(jù)兩路視頻的數(shù)字信號，計算船舶的航行姿態(tài)數(shù)據(jù)和輸出合成信息。
文檔編號G01C21/00GK103175523SQ20121055070
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者李想, 張亮, 潘巍松, 孔夏麗, 王軍, 閆峰 申請人:江蘇五維電子科技有限公司