海洋立体监测中的水下光学检测与成像传感方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种海洋立体监测中的水下光学检测与成像传感方法及系统，采用光纤式多普勒弱相干干涉的水声传感器，利用声场对水折射率的改变来实现光学干涉系统中相位调控，高速线阵CCD提供的高光谱采集速度使得干涉仪对水声的实时响应得以实现；高速高分辨率的光谱解调模块对于干涉信息中的谱分析提供了有利条件，干涉解调光谱仪解调出干涉谱中的水声信息，而且0.05nm的光谱分辨率实质性地提高水声分辨率和成像效果；多尺度原位在线成像子系统能得到更为全面的水下信息，使得海洋生物的研究能取得突破性的进展。本发明专利技术的水下光学检测与成像传感系统的完善不仅为海洋研究提供极大便利，也能满足水质检测方面的产业化需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水下光学成像
，具体涉及一种海洋立体监测中的水下光学检测与成像传感方法及系统。
技术介绍
近年来，光学检测与成像技术(包括影像传感器、光纤传感器、荧光及其成像传感、时间分辨光学成像、频域光学成像、光学相干层析技术等等)在海洋环境科学中的应用飞速发展，由于其具有灵敏度高、分辨率高、能做到实时在线成像等优点，因此被认为是最具有应用前景的学科之一。海洋环境监测是所有海洋工作的基础，合适的水下成像和水下传感技术在海洋监测工作中是迫切需要的。水下光学检测是海洋研究的一种必要手段，也是一个热点研究的高新技术，对海洋资源的保护、开发以及利用有极其重要的意义。不同于光在空气中的传播，水下成像中，水体的光学性质远比空气复杂的多。光线在水中传播时，水体对光线吸收，大大降低了成像的可视距离。此外水体存在大量悬浮微粒，微粒的散射效应会随探测光强的增加而加强。而且，由于水体本身的变化，例如水中的湍流等复杂的不稳定因素对成像清晰造成巨大的困难。因此，传统的一些水下光检测方法无法在多尺度实时的海水检测中得到实质性的突破。针对于水体复杂的环境，我们需要一个高灵敏度原位在线的水下光学传感与成像技术。随着计算机和电子技术的发展和多种观测平台的研发，用光对于水下声波的探测已经成为一个主流手段。传统的声探测器是通过将声信号转化成电信号来进行检测。电声能量转换可以通过两种不同途径来达到：一种可以借助于电场中的电-力效应来实现，另一种可借助于磁场中的磁-力效应来实现。而基于前一种途径的水声传感器包括电容式、压电单晶、压电陶瓷、高分子压电与铁电反铁电换能器；基于后者的则包括电动式、电磁式、磁致伸缩、超导电式换能器。应用最广泛的就是压电陶瓷换能器。然而这种水声传感仪器一方面成本较高，另一方面检测精度还不能完全满足人们的需要。对比于传统的水声传感器，用光学技术来实现水下声检测有很大的优势，而且也吸引了众多的研究人员投入这种传感技术的探索中。光在水底的传播衰减迅速是水下成像限制的主要因素，近几十年来，国内外为了实现水下光电成像主要有如下方式：1)使用透射系数相对较高
的蓝绿激光作为探测光源，改变探测光源的工作方式减少散射带来的影响，例如港科海洋研究所(HBOI)使用高功率的高斯型脉冲绿光激光器作为探测光源。2)特殊的成像技术，Schechner和Karpel在2004年提出偏振成像提高水下能见度，其制作的Aqua-Polaricam偏振成像系统能得到更佳的水底成像效果，利用偏振对散射光的消光作用，水下的散射光对成像的影响大大降低。利用结构光成像的方法，通过多角度的信息收集，后期对成像物体的细节进行还原，其中Levoy提出的光源群照射方法分离目标背景和散射光，从而提高成像的对比度。此外，Negahdaripour和Negahdaripour等人在2007～2008年提出使用光声复合成像的原理，通过高频声呐获得低能见度下水下的3D形貌，通过后期重建图像得到光声复合的图形。3)后期处理，使用相关的理论模型，对采集到的光信息进行后期处理，获得清晰度较高的图像。迄今为止，对于水下检测成像的清晰度、采集速度以及检测尺度等方面还有很大的改进空间。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种海洋立体监测中的水下光学检测与成像传感方法及系统，能够实现水下高灵敏度光学检测和高分辨率成像。本专利技术具体通过如下技术方案实现：一种海洋立体监测中的水下光学检测与成像传感系统，利用光谱成像和光谱分析技术对海洋信息进行多维度采集，所述系统包括基于光学干涉的水声传感器、干涉解调光谱仪以及多尺度原位在线成像子系统；其中，所述基于光学干涉的水声传感器采用多普勒弱相干干涉技术，所述传感器包括宽谱光源、相位调制器、参考臂、样品臂、光学延迟器、光电探测器以及采集模块；所述传感器用于将频域弱相干干涉与相位解调多普勒频移技术的结合以实现高灵敏度、高成像速度、大动态范围的多普勒弱相干干涉，所述采集模块获得复数形式的时域A-scan信号，然后再运用相位解调多普勒频移的方法得到流速分布以及不同位置处多普勒频谱的标准差，进而得到水下声强度信息；所述干涉解调光谱仪，用于解调出干涉谱中的水声信息；所述多尺度原位在线成像子系统包括海水取样模块以及投影成像模块，其中，所述海水取样模块由伺服控制的高吸程大口径自吸泵对样品池进行自动化取样，从而实现海水的原位在线检测与成像。进一步地，所述传感器的宽谱光源发出的光入射到一个2×2的光纤耦合器，出射光分别入射系统的参考臂和样品臂，参考臂的光被准直后通过一段距离并被平面镜反射提供干涉所需的光学延迟，入射样品臂的光经过光学共焦系统聚焦在待测样品上，来自样品的背向散射光被收集并与参考臂的返回光在耦合器里耦合，然后耦合光在光电探测器表面发生干涉并被记录下来，利用短时傅里叶变换或希尔伯特变换的方法从采集到的干涉信号中提取出声场产生的多普勒频移，进而得到水下声强度信息。进一步地，所述投影成像模块在两种模式下工作：快速成像模式和高分辨成像模式，不同的模式选取不同的CCD传感器，其中，快速成像模式采用高速线阵CCD。进一步地，所述宽普光源为高稳定高均匀高亮度LED或卤素灯，所述宽普光源发出的光，经扩散片扩散成为照度均匀的扩散光，再经过专门设计的光学系统得到极为均匀的平行光，以透射样品。进一步地，所述光谱仪采用垂直Czerny-Turner结构。进一步地，所述系统还包括用嵌入式控制、数据存储处理中心自制的一个嵌入式子系统，用于控制图像采集和光谱像采集，最终获取浮游生物图像信息。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用光纤式多普勒弱相干干涉的水声传感器，利用声场对水折射率的改变来实现光学干涉系统中相位调控，高速线阵CCD提供的高光谱采集速度使得干涉仪对水声的实时响应得以实现；高速高分辨率的光谱解调模块对于干涉信息中的谱分析提供了有利条件，干涉解调光谱仪解调出干涉谱中的水声信息，而且0.05nm的光谱分辨率实质性地提高水声分辨率和成像效果；多尺度原位在线成像子系统能得到更为全面的水下信息，使得海洋生物的研究能取得突破性的进展。本专利技术的水下光学检测与成像传感系统的完善不仅为海洋研究提供极大便利，也能满足水质检测方面的产业化需求。附图说明图1是本专利技术的水下光学检测与成像传感系统框图；图2是弱相干干涉系统原理图；图3是流体流速与探测光束夹角示意图；图4是一个典型的多普勒弱相干干涉系统示意图；图5是光斑大小随波长变化曲线；图6是谱面弯曲情况示意图。具体实施方式下面结合附图说明及具体实施方式对本专利技术进一步说明。海洋声学传感器(水声传感器)基于光纤干涉技术，宽带近红外光源经过一定分光比的光纤耦合器，分别入射参考臂和测量臂。利用宽带光源的低相干特性，通过测量样品后向散射光的干涉信号，对探测介质内部微观结构进行高分辨率层析成像。低相干光源发出的光入射到一个2×2的光纤耦合器出射光分别入射系统的参考臂和样品臂，参考臂的光被准直后通过一段距离并被平面镜反射提供干涉所需的光学延迟，入射样品臂的光经过光学共焦系统聚焦在待测样品上，来自样品的背向散射光被收集并与参考臂的返回光在耦合器里耦合，然后耦合光在光电探测器表面发生干涉。干涉信号进入高速高分辨光谱解调模块，采集得到干涉信号的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海洋立体监测中的水下光学检测与成像传感系统，利用光谱成像和光谱分析技术对海洋信息进行多维度采集，其特征在于：所述系统包括基于光学干涉的水声传感器、干涉解调光谱仪以及多尺度原位在线成像子系统；其中，所述基于光学干涉的水声传感器采用多普勒弱相干干涉技术，所述传感器包括宽谱光源、相位调制器、参考臂、样品臂、光学延迟器、光电探测器以及采集模块；所述传感器用于将频域弱相干干涉与相位解调多普勒频移技术的结合以实现高灵敏度、高成像速度、大动态范围的多普勒弱相干干涉，所述采集模块获得复数形式的时域A‑scan信号，然后再运用相位解调多普勒频移的方法得到流速分布以及不同位置处多普勒频谱的标准差，进而得到水下声强度信息；所述干涉解调光谱仪，用于解调出干涉谱中的水声信息；所述多尺度原位在线成像子系统包括海水取样模块以及投影成像模块，其中，所述海水取样模块由伺服控制的高吸程大口径自吸泵对样品池进行自动化取样，从而实现海水的原位在线检测与成像。

【技术特征摘要】
1.一种海洋立体监测中的水下光学检测与成像传感系统，利用光谱成像和光谱分析技术对海洋信息进行多维度采集，其特征在于：所述系统包括基于光学干涉的水声传感器、干涉解调光谱仪以及多尺度原位在线成像子系统；其中，所述基于光学干涉的水声传感器采用多普勒弱相干干涉技术，所述传感器包括宽谱光源、相位调制器、参考臂、样品臂、光学延迟器、光电探测器以及采集模块；所述传感器用于将频域弱相干干涉与相位解调多普勒频移技术的结合以实现高灵敏度、高成像速度、大动态范围的多普勒弱相干干涉，所述采集模块获得复数形式的时域A-scan信号，然后再运用相位解调多普勒频移的方法得到流速分布以及不同位置处多普勒频谱的标准差，进而得到水下声强度信息；所述干涉解调光谱仪，用于解调出干涉谱中的水声信息；所述多尺度原位在线成像子系统包括海水取样模块以及投影成像模块，其中，所述海水取样模块由伺服控制的高吸程大口径自吸泵对样品池进行自动化取样，从而实现海水的原位在线检测与成像。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述传感器的宽谱光源发出的光入射到一个2×2的光纤耦合器，出射光分别入射系统的参考臂和样品臂，参考臂的光被准直后通过一段距离并被平面镜反射提供干涉所需的光学延迟，入射样品臂的光经过光学共焦系统聚焦在待测样品上，来自样品的背向散射光被收集并与参考臂的返回光在耦合器里耦合，然后耦合光在光电探测器表面发生干涉并被记录下来，利用短时傅里叶变换或希尔伯特变换的方法从采集到的干涉信号中提取出声场产生的多普勒频移，进而得到水下声强度信息。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述投影成像模块在两种模式下工作：快速成像模式和高分辨成像模式，不同的模式选取不同的CCD传感器，其中，快速成像模式采用高速线阵CCD。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述宽普光源为高稳定高均匀高亮度LED或卤素灯，所述宽普光源发出的光，经扩...

【专利技术属性】
技术研发人员：王岢，张海军，李旭涛，叶允明，徐晓飞，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44