一种用于海洋湍流参数的非接触测量的成像系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种用于海洋湍流参数的非接触测量的成像系统，包括：脉冲激光发射机系统，用于产生能量分布均匀化的光波；条纹目标板，与脉冲激光发射机系统相对设置，光波穿过待测的海洋湍流到达该条纹目标上后被反射；接收机系统，反射光波穿过该待测的海洋湍流后被其接收和采集，获得海洋湍流的遥感图像信息。本实用新型专利技术利用激光成像的方式，能够在不破坏湍流结构的前提下探测到海洋湍流结构参数。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及海洋湍流参数测量领域，特别涉及一种海洋湍流参数非接触测量的成像系统。
技术介绍
近年来，水下成像探测被广泛应用于水下目标探测、水下地形地貌观测等各个领域，为人类研究海洋生物、海洋环境提供了强有力的研究手段。但是，现在有关激光成像距离和像质的报道，多是在实验室环境下受控的静态水体条件下获得的。对于复杂海洋条件下的激光成像探测，不仅难以达到静态水体条件下的最大探测距离，而且像质的影响机制 也不尽相同。在真实海洋环境中，湍流成为影响激光水下成像距离和像质的重要因素。由于受到了水下湍流的影响，光在水下传输时会从不同位置穿过湍流，导致前进方向发生变化，影响被测目标上的照度分布，并且被测目标反射的光波将会再次透过湍流传输。这将会导致成像质量受到了图像扭曲、图像噪声等的影响。对于水下激光探测系统来说，这会严重影响到光束的成像质量。因此，研究海洋湍流对水下成像系统的影响是十分必要的。探测海洋湍流可以建立一个湍流折射率模型，得到湍流的光学传递函数，建立水下湍流模型，这对于研究水下成像探测以及图像恢复有重要的作用。由于海洋湍流扩散过程的随机性，并要受到海区水文气象以及季节等多种因素的影响，至今还没有一个比较满意的普适理论。在实验方面的研究中，探测海洋湍流所使用的方法主要运用的技术为海洋观测技术，依赖于声学多普勒流速剖面仪、三维高频点式流速仪、湍流微尺度剖面仪以及高精度温盐深剖面仪，这种方法多用于研究海洋湍流混合科学领域。其中，剪切流传感器是一种湍流微尺度剖面仪，专门研究海洋湍流微结构的探测器，主要是测量得到湍流动能耗散率。这种探测方法属于接触式的测量，剪切流传感器安装在其专用载体上，跟随载体以一定的速度在海水中运动，运动过程中剪切流传感器内部的压电陶瓷片对海洋微结构湍流的水平或竖直方向的脉动进行测量，再根据海水粘度、载体运动速度等物理量可以得到所测量区域的海水微结构湍流耗散率。在湍流探测中，最核心的部分就是得到湍流的结构参数。目前测量湍流的结构参数的方法主要是温度脉动法，其是通过测量温度起伏来获得湍流折射率起伏特性的间接测量方法，其前提在于折射率的起伏特性完全取决于温度的起伏特性。这种方法的不足之处在于一、使用温度脉动法探测海洋湍流具有一定的局限性。首先海洋湍流受到的影响比较复杂，水的折射率与密度、温度、压强、盐度以及波长有关，不能单一的使用温度影响来代替；其次，这种温度脉动法空间分布率和时间分布率有限，海洋湍流的尺寸从mm量级到km量级广泛分布，温度脉动法在测量小尺寸湍流时不能满足要求；第三，温度脉动法的原理导致它不可避免的会对湍流结构造成一定的扰动，对于探测工作带来不可避免的误差。目前还出现了利用光学的方法特别是通过激光测量湍流结构参数的方法，这种方法具有精度高、不破坏湍流结构以及可连续探测的优点，但是现有的湍流探光学方法都是用于探测大气湍流的探测器，大气湍流和海洋湍流的影响要素存在着很大的不同，表征湍流结构的参数也不同，因此在测量方法和处理数据的方法上不能采用相同的方法，并且由于海洋中存在470-580nm的通光窗口，这种并不适用于海洋湍流的探测。
技术实现思路
本技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于海洋湍流的非接触式测量的成像系统，利用激光成像的方式，在不破坏湍流结构的前提下探测到海洋湍流结构参数。为了达到上述目的，本技术采取以下技术方案一种用于海洋湍流的费非接触探测的成像系统，其特征在于，该成像系统包括脉冲激光发射机系统，用于产生能量分布均勻化的光波；条纹目标板，与所述脉冲激光发射机系统相对设置，待测量的湍流其上分布有黑白间隔的矩形条纹，所述光波穿过待测的海洋湍流到达该条纹目标上后被反射；接收机系统，所述反射光波穿过该待测的海洋湍流后被其接收和采集，获得海洋湍流的遥感图像信息。作为本技术的改进，所述的接收机系统包括窄带滤光片、望远镜光学系统和ICCD,反射光波经所述窄带滤光片和望远镜光学系统后汇聚到ICCD焦平面上，采集汇聚的信号即可获取湍流的遥感图像信息。作为本技术的改进，脉冲激光发射机系统包括激光器、发射望远镜系统和毛玻璃，激光器发射的探测激光经该发射望远镜系统扩束后，入射到毛玻璃上，该毛玻璃将激光均匀化，以入射到海洋湍流中。在发射机系统中，脉冲激光器发出脉冲光波，经由开普勒望远镜扩束后，经过毛玻璃对其光波能量分布均匀化。均匀化后的光波通过待测海洋湍流到达位于湍流底部的黑白矩形条纹板，并产生反射，反射光波将再次穿过海洋湍流返回。在接收机系统中，反射光波经过窄带滤光片后入射到凸透镜上，然后被凸透镜汇聚到像增强器焦平面上，被像增强器放大的信号被C⑶采集，并传送至图像处理系统进行数据处理。其中，激光光波传输过程中产生的后向散射光在到达接收系统时，由于采用了距离选通技术，增强型电荷耦合器IC⑶中的选通门处于关闭状态，使得后向散射光无法通过接收光学系统，无法被CCD所接收。当目标条纹板的反射光波信号到达ICCD时，选通门处于开启状态，CCD接收的是反射光波信号，从而有效的避免了后向散射光的干扰。本技术中成像系统得到的图像信息中包含着湍流和探测设备相关的信息，对这些信息进行数据处理就可以得到湍流的调制传递函数，继而反演出湍流的折射率分布来表征湍流结构。对任意目标的反射图像进行频谱分析是非常困难的，一般是选择人工布设目标，成像质量较高，有利于较为精确的测量和分析调制传递函数。本技术中使用已知频谱的矩形黑白条纹作为目标物，分析调制传递函数方法采用刀刃法。当然也可以采用其他方法进行计算，例如脉冲法、正弦输入法和点脉冲法等。进行海洋湍流测量时，首先利用成像系统中的脉冲激光器探测海洋湍流，获得探测器与被测目标之间的湍流遥感图像信息；其次，对所获得的图像信息进行分析，得到湍流的调制传递函数MTF ;然后，将测量得到的所述湍流的调制传递函数进行反演，从而得到海洋湍流的结构参数。获得湍流遥感图像信息的具体步骤如下成像系统的脉冲激光器发射脉冲光波，穿过待测海洋湍流到达位于另一侧的条纹目标板后产生反射，反射光波再次穿过海洋湍流返回，通过接收装置接收，即可获得海洋湍流的湍流遥感图像。接收装置中设置有增强型电荷耦合器(ICCD)，其通过选通门控制该增强型电荷耦合器(ICCD)接收目标反射光波并阻挡后向散射光，从而获得湍流遥感图像信息。湍流的调制传递函数(MTFturtulenee)通过如下公式计算得到MTFtotal = MTFequipment X MTF turtulence其中，MTFequipmen为成像系统的调制传递函数，MTFtotal为成像系统在探测海洋湍流时的调制传递函数。成像系统在探测海洋湍流时的调制传递函数MTFttrtal通过刀刃法计算得到，刀刃法主要是利用亮度突变区来提取边缘并计算MTF。刀刃法计算MTF的步骤为I)根据边缘成像的灰度分布拟合出边缘扩展函数曲线ESF。2)对边缘扩展函数曲线一次求导，得出线扩展函数曲线。3)对线扩展函数曲线做傅里叶变换得到MTF曲线。探测海洋湍流系统所得到的信息经过上述数据处理，得到的成像系统总的调制传递函数MTFttrta该总的调制传递函数MTFttrta不仅包括探测设备的MTFequipm,而且包括湍流的调制传递函数M本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于海洋湍流参数的非接触测量的成像系统，其特征在于，该成像系统包括：脉冲激光发射机系统（1），用于产生能量分布均匀化的光波；条纹目标板（5），与所述脉冲激光发射机系统（1）相对设置，待测量的湍流其上分布有黑白间隔的矩形条纹，所述光波穿过待测的海洋湍流到达该条纹目标上后被反射；接收机系统（6），所述反射光波穿过该待测的海洋湍流后被其接收和采集，获得海洋湍流的遥感图像信息。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨克成，孙立颖，夏珉，李微，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：实用新型
国别省市：