河工模型断面水面边界激光快速扫描测量

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(1.长江科学院 河流研究所，武汉 430010； 2.武汉大学 电子信息学院，武汉 430072)

河工模型断面水面边界激光快速扫描测量

胡向阳1,许明1,张文二1,马志敏2

(1.长江科学院 河流研究所，武汉 430010； 2.武汉大学 电子信息学院，武汉 430072)

针对河工模型大范围断面垂线流速的自动采集系统对水面边界快速测量的需要，研制出了一种基于激光扫描原理的水面边界快速测量装置，该装置采用高分辨率线阵式CCD和激光三角法原理，实现了模型断面水面边界的快速扫描测量，并已成功应用于河工模型大范围流速同步采集与应用示范项目中。该方法具有测量速度快、精度高、无接触等优点，是河工模型水面边界快速测量很好的解决方案。

河工模型试验; 激光扫描测量; CCD应用; 测量装置; 模型水面边界

1 研究背景

河工模型大范围流速同步采集与应用示范项目是国家水利重大仪器专项的子项目，其任务是要实现河工模型大范围流速的自动快速采集。定点流速测量已经有很多的解决方案[1]，但模型大范围的流速自动同步快速采集仍尚待解决。要实现这一目标，首先应解决模型断面流速的自动快速测量，而要实现模型断面多路流速快速自动采集，又必须预先知道断面水面边界的准确位置，也就是说，事先应当完成断面水面边界的自动测量，测量系统才能根据已知的水面边界信息，正确地实现各垂线流速仪的水平定位，进而完成断面垂线流速的自动采集。另一方面，过水面积、断面流量的计算都需要知道断面水面边界的准确坐标。实际上，断面水面边界自动测量在河工模型测量系统中有着许多的应用[1]。例如，在模型水下地形超声扫描过程中，需要事先知道断面水面的范围和位置，才能正确控制测量探头的自动入水和控制扫描测量的范围；在表面流场的成像测量时，需要根据模型断面水面边界信息，完成水面与河岸图像边界的分割，以便表面流场信号的分析提取。水面边界测量应用的实例很多，不一一例举。

遗憾的是，之前还未见一种自动、快速、准确测量模型水面边界的方法和相关应用报道。实际模型测量过程中主要依靠人工目测或采取现场人工定位的方法，将流速仪定位到相应位置，再进行流速采集，显然无法满足断面流速自动、快速测量的要求。

因此，要实现大范围流速同步自动采集的任务，必须先解决模型断面水面边界的自动测量。同时，模型断面水面边界的测量方式和测量速度也将影响系统的测量效率和系统的自动化程度。因此，寻求断面水面边界的快速自动测量的方法、研制相应的测量装置，也是本子项目要解决的问题之一。

2 测量方案分析

为较好解决模型断面水面边界的测量，寻求最好的解决方案，本项目先后对阻抗、超声、图像测量及激光测量方法进行了分析和试验验证。

2.1 阻抗点式测量

阻抗点式测量利用阻抗电极并配合力传感器[2-3]，根据事先设定的步距，沿模型断面方向逐点施测。 这种方法有2个缺点：一是分辨率低，水面边界的识别精度取决于设定的测量步距，步距太密，测量耗时太多；二是只能采用逐点测量模式，所以测量速度慢，难以满足水面边界快速测量的要求。

2.2 超声扫描

超声扫描利用高频气介式超声探头沿断面方向进行扫描，测得超声波传感器与在岸坡或水面的距离，分析距离的变化情况可以确定水面的位置和水面的边界。

该方法的优点是实现水面边界的快速扫描，并适合断面多个孤立水域边界的自动识别，但由于气介式超声波声束的开束角比较大，地形分辨率比较低，所以岸坡地形扫描的数据偏差比较大，不宜作为地形测量的结果使用。正因为如此，水面边界识别的误差也相对较大。

2.3 图像测量

图像测量与人工目测的原理相同，即利用视频摄像头对水面边界进行成像，并根据水面边界图像信号的变化确定水面的边界。这一方法原理上似乎可行，但实践证明，该方法实际影响因素很多，如岸边和洲滩的坡度、模型沙颜色、周围的光照、水面的浮沙等都会影响水面边界的正确判别，特别是在岸坡很平缓的情况下，水面边界的图像信号的差别并不明显，有时人眼都很难判别，何况计算机只是在几种规定算法下作出的判断，难免出错，可靠性比较低。

2.4 激光CCD扫描测量

激光扫描测量方法利用激光微距测量原理，实现水面和岸坡的无接触快速扫描，直接获取断面岸坡的高度和水面的高度，通过数据分析处理即可得到水面边界和岸坡地形，具有测量精度高、光斑小、分辨率高、速度快、适应性好的特点，能同时测量水上岸坡地形，所以不失为水面边界快速识别的有效方法。

3 激光扫描测量原理

激光微距测量单元主要由半导体激光器、线阵式CCD传感器、光学聚焦系统和信号处理电路组成[4]，见图1。

图1 激光微距测量单元组成Fig.1 Schematic diagram of a laser measurement unit

激光器发出的激光束经透镜a聚焦准直，得到精细的光束，投射到被测界面，形成细小明亮的光斑，透镜b将被测界面反射的光斑成像到CCD阵列的相应单元。CCD阵列是一种线阵式图像传感器，光斑的像单元受光斑激发形成与光斑强度对应的电脉冲输出。而光斑在CCD阵列中的位置与被测界面位置相对应，构成特定三角几何关系。利用像距与物距之间的三角关系就可计算出被测界面的位置，也即激光三角法测距[5]。图2给出了激光三角法测量物距与相距的几何关系[4]。

注：O为测量激光光轴与成像物镜光轴的交点(测量参考点);D为激光出光平面至被测表面参考点的距离;α为测量激光光轴与成像物镜光轴的夹角;β为检测器激光接受表面与成像物镜光轴的夹角；h为被测界面高度；s和s′分别为物距和像距；d为检测器上成像点的位移,即像移图2 激光三角法测量原理Fig.2 Schematic diagram of laser triangulation measurement

从图2不难看出，ΔP′NA～ΔPMA，即有,

(1)

根据几何关系，将有关参数代入得

(2)

图3 实测界面位置h与像位移d的关系曲线Fig.3 Relationship between measured interface position h and image displacement d

化简得

h=

(3)

式中：s，s′，α，β均为结构常数；d为对应被测界面的影像位移，由CCD阵列读出。由式(3)可以计算出被测界面的位置(见图3)。

4 水面信号的特征与水面边界信号的提取

实际上，激光投射到水面和无水床面的信号特点是不一样的。当激光投射到无水岸坡上时，形成单个较强的光斑，CCD输出较强的单个脉冲信号，见图4(a)，其中横坐标为CCD阵列对应的像数单元位置，纵坐标为输出脉冲的幅度。系统计算出该光斑的垂直距离就可得到岸坡地形的高度；当激光投射到水面时，通常会形成2个强弱不同的光斑，见图4(b)。这是由于水面反射性比较弱，形成的水面光斑也比较弱，大部分激光进入水体，水流清澈时会在床底形成较强的光斑。可见，当激光照射在无水床面时，只有一个光斑，而照射到水面时，会形成强弱不同的2个光斑，且水面光斑的位置在水下床面光斑之前。根据这一特点，分析CCD输出的脉冲信号的个数和强弱情况，就可以确定当前光斑是水上坡岸地形还是水面和水下床面地形，进而提取出整个水面线。图4(c)是经过放大整形后输出的光斑脉冲信号。

图4 不同界面CCD输出脉冲信号特性Fig.4 Pulse signal characteristics of CCDs’ outputs on different surfaces

设δ为CCD像单元的间距，Ni为水面光斑对应的脉冲中心像单元数，则总像位移为：d=Ni×δ，代入式(3)得

(4)

由此可以计算出水面和岸坡地形的位置，水面线与岸坡的交界处即为断面水面边界。

5 测量系统硬件设计

激光水面边界扫描测量单元由CCD线阵式传感器、CCD驱动电路、水平扫描驱动电路、水平行走机构、水平位置传感器、无线通信接口、微处理器等部分组成[5]。

CCD图像测量单元包含半导体激光器、光学聚焦单元和高分辨率的线阵式CCD图像传感器。系统采用松下1501D线阵CCD传感器，有效像素为5 000单元，设计有效量程为500 mm，最高分辨率为0.1 mm/pix,最低分辨率为0.2 mm/pix,精确率定后测量精度可达0.5 mm。 CCD驱动电路采用CPLD可编程逻辑器件[6]，主要完成CCD图像传感器信号采样和信号读出所需要的各种时序信号产生。

扫描驱动电路主要完成水平行走机构的控制与驱动，从而实现激光测量系统的沿断面方向的水平扫描测量。水平位置传感器采用高精度绝对式编码器，可以实时给出激光测量系统的断面方向的水平位置，精度优于1 mm。

微处理器采用高性能嵌入式系统，负责控制协调各单元的工作，从而完成CCD信号读出、扫描行走控制和信号的后处理、传输。该单元与上位测量系统采用无线网络通信方式，进行指令和数据交换，进而实现与地形流速测量系统的数据共享和联合工作。

激光水面边界自动测量系统测量过程是，由微处理器控制行走机构沿断面方向进行扫描，每隔1 cm采集一次CCD图像传感器的光斑信号，读取水面或岸坡的位置。完成断面扫描后，系统自动分析提取水面线和岸坡地形，进而得到水面边界,如图5。

图5 水面边界激光扫描测量Fig.5 Laser scanning measurement across surface boundary

6 结 语

激光水面边界扫描测量已成功应用于国家重大仪器专项子项目“长江防洪模型大范围流速同步采集与应用示范”系统中，实现了模型断面水面边界的自动、准确测量和多路流速传感器的自动定位，促进了大范围流速自动测量系统的成功研制与应用。该方法还具有无接触测量、精度高、速度快，密度高、测量可靠等特点，能实现单一水域和含洲滩的复杂水域多重边界的自动识别，不失为模型水面边界自动测量的先进有效手段。

[1] 蔡守允, 谢 瑞, 韩世进,等. 多功能智能流速仪[J]. 海洋工程, 2004, 22(2):83-86.

[2] 马志敏,范北林,许 明,等.河工模型三维地形测量系统的研制[J].长江科学院院报,2006,23(1):47-49.

[3] 胡向阳,马 辉,许 明,等.河工模型断面垂线流速自动测量系统的研究[J].长江科学院院报,2015,32(12):139-143.

[4] 田原嫄, 谭庆昌. 基于PSD激光三角测距传感器的最优设计[J]. 微计算机信息, 2008, 24(5)：3-4,30.

[5] 赵震方, 刘治华, 李建鹏. 一种新型CCD的驱动时序产生方法[J]. 机床与液压, 2010, 38(22):92-94.

[6] 黄彤津, 朱礼尧, 迟涵文,等. 基于CPLD的线阵CCD驱动电路的设计[J]. 电子测量技术, 2014, 37(7):66-70.

(编辑：赵卫兵)

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

国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ070055)

胡向阳(1964-)，女，浙江东阳人，教授级高级工程师，主要从事河道治理研究和科研条件建设工作，(电话)027-82829789(电子信箱) huxiangyang9789@163.com。

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

TV131.66

A

1001-5485(2017)11-0144-04