一种感知水体散射物质含量变化的装置的制作方法

本发明涉及一种感知水体散射物质含量变化的装置，属于水体散射物质检测领域。

背景技术：

水体散射物质含量变化是海洋环境观测的重要指标之一，散射物质的增加预示着海洋环境中浑浊物质含量的增加，对散射物质含量变化的观测在渔业和国家海洋安全中有重要作用。水产渔业的相关报道证实，水体浑浊度的增加表明水体腐化物质和微生物含量的增加，水体含氧量下降，对养殖水产生物有较大的影响。在海洋安全方面，有大量文献证实潜艇等人造水下航行物游过的深海水域会存在较多的微小悬浮气泡，对气泡的测量成为水下航行物跟踪监测的重要技术手段。

目前，针对海水散射物质的测量以光学方法为主，例如丘仲锋等研究人员于2015年申请公开的一种监测高浑浊海水浊度的卫星遥感方法(公开号：105004846A)，该方法使用卫星对海洋进行光学遥感观测，但该方法仅适用于高浑浊度海水，对低浑浊度海水的测量灵敏度较低，且只能对大范围海域进行整体观测。欧阳敏等研究人员于2007年公开了一种用脉冲激光实时测量海水浑浊度的方法(公开号：101266210)，但该方法所使用的装置结构复杂，所采用的透射式结构要求测量装置所用元件分布在水池两侧，且要求所用激光器为窄线宽高能脉冲YAG激光器，该方法的所用激光器价格昂贵。刘西站等研究人员于2014年公开了一种尾流气泡探测光学系统(公开号：103901598A)，该系统使用片光源、透镜组实现对10微米至500微米的气泡的分段拍摄，满足了对海水环境中气泡群探测的需求，但复杂的透镜组提高了装置稳定性设计的难度，且片光源激光器的成本较高。

综合上述发明进展，目前针对水体散射物质的光学测量已有较为成熟的测量技术，但诸多技术的装置复杂程度高，对激光器、透镜组等原件有特殊要求，装备成本高。而针对水体环境中的测量，要求装置结构简单稳定，以适应各种海况。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术的水体散射物质含量检测技术中成本高，装置复杂，对低浑浊度的水体检测精度低的缺点，而提出一种感知水体散射物质含量变化的装置。

感知水体散射物质含量变化的装置，包括由透光防水窗口与防水封装组成的防水壳体，所述透光防水窗口设置在所述防水壳体的一侧，所述壳体内部设置有连续性激光器以及CCD传感器，所述透光防水窗口用于使所述连续性激光器发射的光束射入水中，还用于使所述光束经过水中的散射物质散射后的光射入所述壳体并由所述CCD传感器接收。

本发明的有益效果为：1、使用连续型激光器、CCD传感器，不同于现有技术中使用透镜、片源激光器的高成本、复杂装置结构，本发明成本更低，装置的结构更简单；2、本发明在水下进行观测、拍摄，不同于现有技术的光学遥感观测，本发明对低浑浊度的灵敏度更高。

附图说明

图1为本发明的感知水体散射物质含量变化的装置的结构示意图；

图2为本发明的CCD传感器接收到的图像；

图3为CCD传感器接收到的图像对应的二维熵图；

图4为水体散射物质增加后CCD传感器接收到的图像对应的二维熵图；

图5为二维熵图形成过程的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的感知水体散射物质含量变化的装置，如图1所示，包括由透光防水窗口3与防水封装4组成的防水壳体，透光防水窗口3设置在防水壳体的一侧，壳体内部设置有连续性激光器1以及CCD传感器2，透光防水窗口3用于使连续性激光器1发射的光束5射入水中，还用于使光束5经过水中的散射物质散射后的光射入壳体并由CCD传感器2接收。

其中，CCD传感器2、激光器1和透光防水封装窗口3的相对位置可以变化，且透光防水封装窗口的数量也可以变化，只要保证激光器1发出的光束5能够照射到水中，并且CCD传感器2能够接收到光束5通过水体中物质散射后的光信号即可。

CCD传感器2和激光器1还连接有供电电源(图1中未示出)，其中供电电源可以集成在装置的内部，也可以连接外部作为外部供电电源。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：

CCD传感器的分辨率为a×b，所述CCD传感器显示图像的像素点索引为(i,j)，显示图像上各像素点的像素值为p(i,j)，与(i,j)相邻的像素点的平均像素值取整后的值为q(i,j)，定义M为256×256的矩阵，矩阵M中个元素取值M(I,J)为p+1＝I且q+1＝J的像素点的个数，I、J分别为像素点的水平索引和垂直索引，CCD传感器与处理器连接，所述处理器包括图像转换单元，图像转换单元用于通过所述显示图像得到二维熵图，二维熵图具有用于表征散射物质含量的亮斑，亮斑的移动和/或扩散程度能够表征散射物质的含量。

其中CCD传感器接收到的图像如图2所示，CCD传感器接收到的图像对应的二维熵图如图3所示。

下面简要说明CCD传感器的分辨率与矩阵M的关系：

256×256表示矩阵M的大小(即256行256列)，而a×b表示的是CCD图像分辨率的大小。

通常彩色CCD获取到的图像数据为RGB类型，即分别表示红色、绿色、蓝色的亮度的三个矩阵。三个矩阵的大小均为a×b(即行b列)，矩阵中的元素表示了图像上该元素所在位置的对应颜色的亮度。而黑白CCD得到的图像数据为单个矩阵，该矩阵的大小为a×b。矩阵中的元素表示了图像上该元素所在位置的灰度。

本发明中一般采用黑白CCD，即只需获得黑白图像(灰度图像)即可。如使用彩色CCD，可将三个矩阵求平均，即可转化为灰度图。

图像中的像素值数据类型为uint8或double，本发明中的图像数据类型为uint8型的矩阵。该数据类型的图像像素值为0到255的整数，即256级。如果图像像素值数据为double类型，则其取值为0到1。可通过将0到1线性投影到0-255上，并取整得到uint8格式的图像数据。

矩阵M为对图像像素值统计得到的新矩阵，不同于原本的图像矩阵。M分辨率为256×256是因为图像像素值为256级。M的分辨率不受图像分辨率的限制。

还需要说明的是，“移动”是指二维熵图像亮斑中心的移动，因此移动是两个值X和Y，分别表示纵向索引和横向索引上的移动。

移动和扩散程度会同时变化，但由于意义不同，变化趋势也各不相同。在一些情况下，移动参数和扩散程度参数仅有一方改变。扩散程度可以通过亮斑的扩散面积与二维熵图的总面积的比值来确定，比值越大，则表示扩散程度越明显，比值越小，则表示扩散程度不明显。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：

二维熵图的各个像素点的像素值为K(I,J)；

感知水体散射物质含量变化的处理器还包括计算单元，所述计算单元用于执行如下计算：

X＝E[I|_K(I,J)>0]

Y＝E[J|_K(I,J)>0]

其中X和Y分别为二维熵亮斑的水平位置参数以及垂直位置参数；D为用于表征所述亮斑的扩散程度的参数；E[I|_K(I,J)>0]表示对所有满足条件K(I,J)>0的I值求平均值；E[J|_K(I,J)>0]表示对所有满足K(I,J)>0的J值求平均；表示计算d的取值为从e到f的所有整数时，相应的C值的和。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：

本发明的处理器还包括判断单元，判断单元用于从获取所述亮斑的移动方向，亮斑向二维熵图的右下侧移动的程度越多，则散射物质的含量越多。

这一过程可以如图3和图4所示，图4为水体散射物质增加后CCD传感器接收到的图像对应的二维熵图。

将图3和图4的对比可以判断出，亮斑向二维熵图的右下侧移动的程度越多，则散射物质的含量越多。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：

判断单元还用于获取所述亮斑的扩散程度，所述亮斑的扩散程度越明显，则所述散射物质的含量越多。

同样通过图3和图4的对比可以看出，当亮斑扩散越明显时，散射物质的含量越多。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：

所述判断单元还用于根据所述参数D判断所述散射物质含量；D的值越大，则散射物质含量越多。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：

判断单元还用于获取所述参数X、Y、D的变化趋势；所述参数X和Y的变化趋势相反；若所述参数X和/或Y的变化趋势与所述参数D的变化趋势相反，则表明所述连续性激光器能量不稳定或所述CCD传感器发生故障。

本实施方式说明了本发明不仅可以探测水体中的散射物质含量，还可以间接检测出连续型激光器的能量是否不稳定以及CCD传感器是否发生故障。因此本发明还具有一定的自检功能。

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：

判断单元还用于执行如下判断：

若所述参数X、Y、D同时减小，说明所述散射物质增多。

其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：

判断单元还用于执行如下判断：

若所述参数X、Y、D的变化幅度在预定的时间内均超过了预定的值，或所述参数X、Y、D的变化趋势同步，且为平稳的增减变化时，则表明水体中含有超出常规数量的障碍物。

即本实施方式的判断有两种情况：

第一种是快速大幅度起伏。“大幅度起伏”是指指标波动幅度超过原值50％，“快速”是指10秒以内。三个指标X、Y、D快速大幅度起伏且起伏趋势同步，说明水体中含有大量障碍物，如鱼群、被水流卷起的沙石等。

第二种是平稳增减，没有起伏。例如当水体存在极少的微米尺度的气泡时，X和Y将增加25％，D将增加50％。当气泡数量很多时，X、Y将增加至原值的2.5倍，D将增加至原值的3倍。

通过实验测量，向纯净水中通入大量气泡，随后静止10分钟，此时水体中含有极少的肉眼无法分辨的微气泡。此时X、Y值比原值高出25％，D值比原值高出50％。而现有技术的装置无法达到这种精度，并且现有技术的装置复杂度要明显高于本发明。

其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：

图像转换单元、计算单元以及判断单元均集成在可编程逻辑芯片或计算机内部。

并且CCD传感器与可编程逻辑芯片或计算机之间可以使用电缆通讯，也可以使用其他无线通讯装置进行通讯。

其中，“在预定的时间内超过了预定的值”可以是在10秒内波动幅度超过原值的50％。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。