一种实现浮游动物信息获取的光立体采样原位探测方法
【专利摘要】本发明公开了一种实现浮游动物信息获取的光立体采样原位探测方法，其包括：脉冲激光器发出激光脉冲，经光立体采样区中的浮游动物反射返回目标回波信号；当目标回波信号到达选通成像器件时，选通成像器件选通门开启，接收目标回波信号，并对所述光立体采样区中的浮游动物进行原位探测成像，并输出采样得到的水下二维强度图像；根据所述水下二维强度图像获得光立体采样区内的浮游动物行为信息、数量信息、尺寸信息，并结合光立体采样区的体积获得浮游动物的丰度信息。该方法有效的解决了现有原位探测成像方法不能实现真正的非侵入无干扰原位探测，且采样区不确定的问题，形成可以量化的立体光立体采样区，实现了浮游动物无干扰立体数据的获取。
【专利说明】一种实现浮游动物信息获取的光立体采样原位探测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及探测成像【技术领域】，尤其涉及一种实现浮游动物信息获取的的光立体采样原位探测方法。
【背景技术】
[0002]浮游动物的种类、丰度及分布对浮游动物生态学及其相关海洋生态效应的研究至关重要，特别是近年来持续爆发的水母灾害，已经严重的影响了海洋生态环境，成为需要研究解决的世界难题。而目前人类在这方面的知识相当匮乏，几乎所有的研究仍处于文献积累和科学假设阶段。浮游动物的数据的快速获取成为制约这一研究开展的瓶径。
[0003]传统的获取浮游动物数据的方法主要依靠网具，周期长，误差大。而原位探测由于可以实现无干扰数据的快速获取，因此，2000年以后成为浮游动物探测领域发展的新方向。目前只有美国、法国等少数几个国家开展了这一研究。现有的原位探测成像方法主要采用光源和(XD分立的对射式结构。这种结构是一种侵入式的结构，由于光源和(XD包围米样水体，使得对浮游动物探测时会引入湍流等扰动，不能做到真正的非侵入无干扰探测；更重要的是由于光源和CCD分立的对射式结构受限于系统外形尺寸的限制，光源距采样水体的工作距离往往很小。再加上大功率的照明光源在水下环境中强烈的散射作用，使得现有的原位探测方法不仅不能获取准确的浮游动物行为信息，而且成像对比度较差，影响基于低对比度图像的浮游动物信息提取。
[0004]此外，在浮游动物原位探测成像系统中，每秒钟的采样体积是衡量系统性能的一个重要指标。采样体积越大，采样效率越高，可节省更多的人力和物力；其次采样体积大的浮游动物原位探测成像系统不仅能够对高丰度、小体积的浮游动植物进行信息采集，还能够对低丰度、大体积的浮游动植物的数量、丰度、分布以及行为等信息进行观察分析。另外，采样体积获取的越准确，对浮游动物丰度信息的获取就越准确。
[0005]然而，相比于传统的网采法，现有的浮游动物原位探测成像方法每秒钟采样体积较小。1992年美国伍兹霍尔海洋研究所研制的世界上第一台真正意义上的浮游动物原位探测系统VPR(vedio plankton recorder)系统,其米样体积仅为2L/s ;而迈阿密大学研制的ISIIS(In situ ichthyoplankton imaging system)系统，是近年来报道的采样体积最大的浮游动植物原位探测成像系统，其采样体积也仅为70L/S。这样小的采样体积使得现有的浮游动物原位探测方法大部分致力于um?mm量级的小型浮游动物的探测。而大采样体积的、用于mm?cm量级中大型浮游动物探测的原位探测方法也正越来越多地引起研究者的关注。
[0006]另外，现有国外的浮游动物原位探测成像方法没有确定的采样区，采样体积的确定都是在最优的参数下，在实验室标定获取的。如果改变了某个系统参数，则必须重新进行标定。由于探测目标位um?mm量级的浮游动物，对标定设备精度要求高，且标定过程复杂，结果比较依靠主观判断。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，本发明公开了一种实现浮游动物信息获取的光立体采样原位探测方法，该方法利用并列放置的脉冲激光器和选通成像器件对前方光立体采样区内的浮游动物进行原位探测成像，其实现步骤包括:
[0008]步骤1、脉冲激光器发出激光脉冲，所述激光脉冲经光立体采样区中的浮游动物反射后返回目标回波信号；
[0009]步骤2、当目标回波信号到达选通成像器件时，选通成像器件选通门开启，接收目标回波信号，并对所述光立体采样区中的浮游动物进行原位探测成像，并输出采样得到的水下二维强度图像。其他时间选通门关闭；
[0010]步骤3、根据所述水下二维强度图像获得光立体采样区内的浮游动物行为信息、数量信息、尺寸信息，并结合光立体采样区的体积获得浮游动物的丰度信息。
[0011]其中，光立体采样区是通过同步时序控制模块控制激光脉冲与选通门之间的延时而在自然水体建立的。
[0012]光立体采样区的起始位置和结束位置如下计算:
【权利要求】
1.一种实现浮游动物信息获取的光立体采样原位探测方法，该方法利用并列放置的脉冲激光器和选通成像器件对前方光立体采样区内的浮游动物进行原位探测成像，其包括: 步骤1、脉冲激光器发出激光脉冲，所述激光脉冲经光立体采样区中的浮游动物反射后返回目标回波信号； 步骤2、当目标回波信号到达选通成像器件时，选通成像器件选通门开启，接收目标回波信号，并对所述光立体采样区中的浮游动物进行原位探测成像，并输出采样得到的水下二维强度图像； 步骤3、根据所述水下二维强度图像获得光立体采样区内的浮游动物行为信息、数量信息、尺寸信息，并结合光立体采样区的体积获得浮游动物的丰度信息。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述采样区为通过控制激光脉冲和选通脉冲间的延时在自然水体内建立的梯形光立体采样区。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述激光脉冲和选通脉冲间的延时是通过同步时序控制模块进行控制的。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其中，所述光立体采样区的位置以及体积由成像器件的焦距、激光脉宽、选通门宽以及激光脉冲与选通脉冲之间的延时确定。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述光立体采样区的起始位置和结束位置如下计算:
rbegin = ( τ -tL)c 水/2
rend = ( τ +tg)c*/2 其中，c#为激光脉冲在水中的传输速度，τ为激光脉冲与选通脉冲之间的延时，\为激光脉宽，tg为选通门宽，rbegin为光立体采样区离成像器件的起始距离，rend为光立体采样区离成像器件的结束距离。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述光立体采样区的形状由成像器件的光学接收镜头决定，所述光立体采样区间起始位置rbegin处，水平视场为
7.如权利要求5所述的方法，其中所述光立体采样区的体积大小为:
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述浮游动物数量、尺寸、行为信息是通过对采样获得的所述水下二维强度图像进行预处理和目标提取处理，并分别统计提取后目标的数量、目标所占像素数以及观察目标行为而得到的。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述浮游动物丰度信息为: 其中，A为浮游动物丰度，N为光立体釆样区内的浮游动物数量，V为光立体釆样区体积。
【文档编号】G01S17/88GK103901438SQ201410156439
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2014年4月18日
【发明者】刘晓泉, 王新伟, 周燕 申请人:中国科学院半导体研究所