海洋立体监测中的水下光学检测与成像传感方法及系统的制作方法

文档序号:10509912阅读:741来源:国知局
海洋立体监测中的水下光学检测与成像传感方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】
海洋立体监测中的水下光学检测与成像传感方法及系统
技术领域
[0001] 本发明属于水下光学成像技术领域,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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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(ΗΒ0Ι)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。
[0006] 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。

【发明内容】

[0007] 为解决现有技术中存在的问题,本发明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。
[0008] 本发明具体通过如下技术方案实现:
[0009] -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栗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。
[0010] 进一步地,所述传感器的宽谱光源发出的光入射到一个2X2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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 进一步地,所述光谱仪采用垂直Czerny-Turner结构。
[0014]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。
[0015]本发明的有益效果是:本发明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】
[0016]图1是本发明的水下光学检测与成像传感系统框图;
[0017]图2是弱相干干涉系统原理图;
[0018] 图3是流体流速与探测光束夹角示意图;
[0019] 图4是一个典型的多普勒弱相干干涉系统示意图;
[0020] 图5是光斑大小随波长变化曲线;
[0021] 图6是谱面弯曲情况示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合【附图说明】及【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0023] 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 X 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光谱信息并经特定算法处理。在水下声检测的研究中,测量臂声场在 沿入射光方向上的分量产生多普勒效应,样品中的背向散射光被声振动场改变频率与相 位,并与参考臂返回光(通常要经过频率调制)发生干涉,干涉信号被探测、采集,然后利用 短时傅里叶变换或希尔伯特变换的方法从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。
[0024] 基于光纤干涉技术的海洋声学传感器系统中搭建的高速光谱解调模块与商用光 谱仪相比侧重于追求高速和高光谱分辨率,而不需要很宽的光谱探测范围。因此,需要自行 研制声学传感系统的干涉解调光谱仪。本发明的高速光谱解调水声的装置结构为光纤干涉 仪,干涉信号光从光纤头发出,经fl = 75mm的消色差透镜扩束,入射一个透射光栅 (12001pmm),色散后经f2 = 200mm的聚焦镜汇聚在线阵CCD探测元上。用高速线阵CCD相机, 2048个像元,最高光谱采集速度100kl ine/s,光谱分辨率达0.05nm以上。水声探测所需的高 速光谱解调模块则需要每秒采集上十万条光谱,CCD的扫描速度决定着系统的扫描速度,随 着光电成像器件技术的不断发展,高速的CCD不断推出,使得光学水声探测器成为可能。
[0025] 除光学水声探测器外,本发明还将开展水下原位光谱分析系统和多尺度原位光学 成像方法研究。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。利用高稳定高 均匀高亮度LED或卤素灯作为光源,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。对光学投影成像系统而 言,平行投影的近似程度决定成像质量及成像范围,可以利用小的光阑及增大物距来增大 平行投影的近似程度,提高成像质量及成像范围。研制自动化取样池,由伺服控制的高吸程 大口径自吸栗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。使用的海 洋微生物图像探测装置可以设计为两种模式下工作,一种为快速成像模式,另一种为高分 辨成像模式。不同的模式选取不同的CCD传感器。实验最终样品仪器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系统,控制图像采集和光谱像采集,最终获取浮游生 物图像信息。
[0026]本发明的如附图1所示,下面就本发明的三个关键技术进行详细说明。
[0027] 水下基于光学干涉的水声传感器
[0028]光学干涉一直被认为是实现水下传感器的重要手段。通过对参考臂的调节控制, 可以从干涉图样中提取出感兴趣的重要信息。光学弱相干干涉技术是一种三维层析成像技 术,它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。该技术在保证一定探测深度的同时,达到了微米级空间 分辨率和l〇〇dB左右灵敏度,具有高分辨率,高灵敏度,非侵入,无损伤等特点,有着很好的 发展前景。本发明拟采用光纤式弱相干干涉技术,将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。
[0029] 一个典型的弱相干干涉系统原理图如附图2所示,低相干光源发出的光入射到一 个2X2的光纤耦合器(可视为迈克尔逊干涉仪),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,采集到的干 涉信号被处理成一条纵深方向的扫描A-scan,表不在样品臂扫描光束焦点位置处,样品内 部沿入射光方向的不同深度的层结构的反射强弱。当样品臂的扫描光束在样品表面进行横 向扫描时,采集到的多条A-scan将组合成一幅样品结构的二维截面图,称为一个B-scan,若 加上样品表面另一维的扫描则可以实现三维体结构成像。
[0030] 在时域弱相干干涉系统中,低相干光源是一个宽谱的连续光源,参考臂返回光的 相位延迟被重复扫描,并用一个光电点探测器接收干涉信号。在参考臂扫描的每个位置,样 品臂中只有某一特定深度的背向散射光才能与参考光相干,扫描产生的干涉振荡被记录并 提取出振荡条纹的包络信息来标记样品中的每个分层。
[0031] 频域弱相干干涉系统可以分为光谱弱相干干涉和扫频弱相干干涉两种。在光谱弱 相干干涉中,光源仍为宽谱连续光源,参考臂采用固定的与样品臂中的待测样品对应的返 回光延迟,参考臂的返回光与入射样品各个深度的返回光发生干涉,干涉信号经过光谱仪 分光得到其光谱信息,并被光电二极管阵列或者CCD记录下来。在扫频弱相干干涉中,参考 臂仍旧采用固定的返回光延迟,光源分时输出不同波长的单色光并在一定的波长范围内进 行快速的波长扫描输出,接收端则由一个或几个点探测器随时间来接收干涉信号的光谱信 息。频域弱相干干涉系统的两种形式,在干涉信号的光谱展开条纹中,条纹频率包含着待测 样品在扫描光束入射点处整个入射深度的结构信息。干涉条纹经过一些信号处理,如由波 长空间至波数空间的转换,参考臂和样品臂之间的色散补偿,再经过反傅里叶变换就可以 恢复出A_s can信息。
[0032] 本发明在进行水下声场探测时,参考臂反射光和测量声场臂的返回光经光纤耦合 器耦合并发生干涉,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光谱信 息并经特定算法处理。测量臂声场在沿入射光方向上的分量产生多普勒效应,样品中的背 向散射光被声振动场改变频率与相位,并与参考臂返回光(通常要经过频率调制)发生干 涉,干涉信号被探测、采集,然后利用短时傅里叶变换或希尔伯特变换的方法从干涉信号中 提取出声场产生的多普勒频移,进而得到水下声强度信息。
[0033] 多普勒弱相干干涉结合了多普勒原理和弱相干干涉技术,可以同时提供高散射生 物组织中静态结构和运动成分的高分辨率截面图。由于具有很高的空间分辨率和速度灵敏 度,多普勒弱相干干涉在生物医学研究和临床医学研究中得到了广泛应用。
[0034] 当入射光被样品中运动粒子散射,背向返回光与参考臂返回光发生干涉,干涉条 纹中会产生一个多普勒频移:
[0036]式中,λ";和欠分别为入射光和散射光的波矢,v为运动粒子的速度矢量,如附图3所 示。由于多普勒弱相干干涉测的是背向散射光,假设入射光束与待测流体间的夹角为Θ(多 普勒角),则多普勒频移可以简化为:
[0038]式中λ〇为光源在真空中的中心波长。
[0039] 多普勒弱相干干涉系统与弱相干干涉系统相似,主要的区别在于信号处理部分。 附图4所示为一个多普勒弱相干干涉系统,宽带光源发出的光耦合进一个光纤干涉仪,等比 例分成两路进入参考臂和样品臂。样品中的背向散射光与参考臂的返回光在耦合器里发生 干涉叠加。参考臂中选用一个快扫描延迟线来提供群延迟并进行轴向扫描。由于延迟线会 把群延迟从相位延迟中分离出来,故系统利用一个电光相位调制器来产生一个固定的载 频。干涉信号被放大,带通滤波,然后被模数转化,送入电脑进行处理。
[0040] 为了理解多普勒弱相干干涉的信号处理过程,我们先来研究由运动粒子所影响的 条纹信号。记u(t)为一个随机过程的复数值解析信号,来表示低相干光源发出的场强幅值; ?"7(κ)为光频率为V时的光谱幅度。则在t时刻耦合进干涉仪的弱相干光为:
[0042]由于弱相干光源的随机过程是固定的,则的互谱密度满足
[0044] 式中So(v)为光源功率谱密度,δ(ν-ν')为狄拉克函数。假设光等量地以谱幅度 进入参考臂和样品臂,则探测器接收到的两臂的返回光为
[0045] C^(v) = e2nivK2L')JcKr (v)eia'ir)lT0(v) (5)
[0046] c7^(v) = e2"!V(:2:4 iL^cKXv)eiaAV%(v) (6)
[0047]式中Lr和Ls为从光分束器分别到参考臂反射镜和样品的光程,Ld为从光分束器到 探测器的光程,和尾卜)产("分别为参考臂和散射样品对入射光强的反射系数。
[0048]则干涉仪输出的干涉信号总功率为总光强幅度平方的时间平均:
[0049] Pd(T) = <|Us(t)+Ur(t+T) |2> (7)
[0050] 式中τ为光在两臂的时间延迟之差。结合式(3)和(4),探测到的总功率包括三部 分:参考臂Ir,样品臂Is,干涉信号强度Ρ·(τ),
[0052] 其中,
[0053] Pr(v) = So(v) |Kr(v) I2 (9)
[0054] Ps(v) = So(v) |Ks(v) I2 (10)
[0055] P〇dt(v) =2So(v)Kr(v)Ks(v)cos[23iv( Δ d/c+x)+as(v)-ar(v) ] (11)
[0059] 被运动粒子散射的光可以等效为一个运动的波前,则式(1-19)中的Ad可被写为
[0060] Ad=A+2'^(l5)
[0061] 式中△为样品和参考臂反射镜的光程差,Vz为运动粒子在入射光束方向上的速度 分量,《为流体的折射率。
[0062] 为了简化计算,假设a4Par在光源光谱范围内为常数,可以忽略其影响。则光谱域 的干涉信号PC)DT( V )可以简化为
[0064] 对应的时间域干涉信号Γ ?Τ(τ)为
[0066] 对比式(16)和(17),可以看出在时域信号和谱域信号之间存在一个傅里叶变换关 系。这样,就存在有两种获得多普勒弱相干干涉信号的方法:时域方法和频域方法。在时域 方法中,参考臂中的延迟线产生延迟,利用谱分析或者相位解调算法来提取多普勒频移。在 频域方法中,参考臂是固定的,没有深度扫描即τ为常数,频域的干涉信号P QDT(v)通过光谱 仪分光或者利用扫频光源来得到,再经过傅里叶变换得到时域信号F <?τ(τ)。
[0067] 利用相干门来对流体定位并进行流速测量的技术最早出现在1991年,当时得到了 管道里散射流体中散射颗粒的一维流速分布。1997年,人们利用谱分析的方法第一次得到 活体生物组织的二维多普勒弱相干干涉图像,谱分析法通过短时傅里叶变换(STFT)或者小 波变换来计算出待测干涉信号的功率谱。尽管谱分析法可以对活体组织结构和血液流速同 时成像,但在高速成像模式下该方法不能提供较高的速度灵敏度。相位解调多普勒弱相干 干涉的提出克服了这个问题,该方法利用弱相干干涉相邻的A-scan间的相位变化重建出流 速分布图像,解决了流速测量中空间分辨率和速度灵敏度之间的矛盾,并且在不牺牲空间 分辨率和速度灵敏度的情况下将成像速度增加了两个量级以上。成像速度和速度灵敏度的 显著增加使得人皮肤的活体组织微血管循环成像成为可能。频域弱相干干涉的出现大大提 高了弱相干干涉的成像速度和灵敏度。频域弱相干干涉与相位解调方法的结合获得了比时 域多普勒弱相干干涉更高的成像速度和速度测量范围。下面将重点介绍基于短时傅里叶变 换的时域多普勒弱相干干涉技术和基于相位解调的多普勒弱相干干涉技术。
[0068]时域多普勒弱相干干涉利用谱分析法来获得干涉信号中的多普勒频移。时域弱相 干干涉所探测得到的随时间变化的干涉信号Fcmbbt)在对应于时间窗口 ^的第i个像素 点处的功率谱是通过短时傅里叶变换或者小波变换得到:
[0070]式中匕是离散的频率值。层析结构图是利用相位调制频率fQ对应的功率谱来重建 的。多普勒频移ft对应于相位调制频率与第i个像素点处计算得到的功率谱的质心频率f。 之差,进一步由式(2)得到流体流速为:
[0072]其中功率谱的质心频率计算公式如下:
[0074] 尽管谱分析的方法可以对活体生物组织和流速同时成像,但能提供的速度灵敏度 和成像速度之间存在着矛盾。利用STFT或者小波变换来计算流速时,频率分辨率由STFT所 选取的时间窗口来决定。可以解析的最小多普勒频移与所选时间窗口成反比,要能测出更 小的多普勒频移就需要更长的时间窗口,而像素的采集时间与时间窗口成比例,这样成像 速度将被速度灵敏度所限制。另外,空间分辨率同样与STFT的时间窗口成比例。于是大的时 间窗口增加了速度分辨率而牺牲了成像速度和空间分辨率。这些矛盾在微血管低流速测量 中表现的非常明显。
[0075] 相位解调多普勒弱相干干涉技术解决了这些矛盾,它利用相邻的A扫描之间的相 位变化来解调出流速信息。干涉信号的相位信息是通过利用希尔伯特变换构建干涉信号的 复数形式进而得到的:
[0077] 式中P为柯西主值,i为虚数单位,A(t)和Φ (t)为的幅值和相位。
[0078] 这样在轴向扫描中第η个像素处的多普勒频移匕就可以由相邻的A扫描间的平均 相位变化计算得到:
[0080]或者相位变化也可以由互相关运算得到:
[0082] 式中f和f )分别为第j个A扫描在轴向扫描时刻U时得到的复数信号及 其共辄,fVD和f*i+1(u则为下一个A扫描在轴向扫描时刻tm时得到的复数信号及其共 辄;Μ为参与相位差轴向平均的相邻像素点的个数,N为进行相位差的平均运算的相邻A扫描 的个数;T为两次相邻A扫描开始时间间隔,由于T远大于像素对应的时间窗口的采集时间, 故利用该方法可以提供更高的速度灵敏度。
[0083] 除了可以获得不同轴向位置处的流速信息,也可以由相位解调技术得到不同位置 处多普勒频谱的标准差:
[0085] 式中P (f)为多普勒功率谱,fD为多普勒频移的质心。标准差σ依赖于流体流速分 布,流速的变化会导致多普勒频谱展宽和较大的〇。
[0086] 频域弱相干干涉与相位解调多普勒频移技术的结合使得高灵敏度,高成像速度, 大动态范围的多普勒弱相干干涉成为可能。光谱弱相干干涉与扫频弱相干干涉实现多普勒 弱相干干涉功能都是先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。
[0087] 以扫频弱相干干涉为例,若系统参考臂加入电光相位调制器来产生稳定载频,实 现对低频自相关项和傅里叶变换产生的镜像的消除。随扫频光源波长扫描而采集的时变干 涉信号r (t),先经过傅里叶变换转换至频率空间,再乘以一个阶跃函数选取正频部分,经 过一个带通滤波去除低频和直流噪声,接下来的解调步骤移除载频,然后经过逆傅里叶变 换把信号转换回时间域,这时候的时变干涉信号已经是复数形式了。再经过插值把时变信 号转换为波数空间的干涉信号,最后经过傅里叶变换,就得到了复数形式的时域A扫描信 号。之后应用相位解调方法有:
[0090] 原位在线光谱分析
[0091 ]光谱分析方法作为一种重要的分析手段,在科研、生产、质控等方面,都发挥着极 大的作用。复合光经色散元件分光后,得到一条按波长顺序排列的光谱,然后通过CCD等探 测器进行观测记录的设备称为光谱仪。
[0092]无论是在单道扫描型还是多通道型或全谱直读型的任何光谱仪中,通常都希望满 足以下三个功能:
[0093] 1.有适当的波长范围和波长选择;
[0094] 2.能从被检测的辐射源的特定区域里采集尽可能多的光;
[0095] 3. -定的分辨率。
[0096]作为频域弱相干干涉中光谱仪系统,波长范围就是弱相干干涉激光光源的光谱范 围,约在780~900nm。分辨率越高越好,一般要在0.1~0.5nm。此外,为满足高速采集的成像 速度和好的性价比,还需满足以下两个特殊要求:
[0097] 1.取材于常见元件,控制成本。
[0098] 2.信号采集速度快。
[0099]为达到这两个目标,系统将包括:
[0100] (a)-个入射光孔,直接与红外激光器输出端相连。
[0101] (b) -个能产生一束平行光的准直系统。
[0102] (c)闪耀光栅色散系统。
[0103] (d) -个能使被色散的特定狭窄谱宽重显的聚焦及成像系统。
[0104] 现在比较成熟的光谱仪结构为Ebert-Fast ie结构和Czerny-Turner结构。前者需 要一块较大凹面镜。由于大面积面镜加工和制作的困难,市场长不常见,故不宜选择E-F结 构。另外,C-T的两块面镜可以灵活调节,同时,如果采用交叉结构,能有效减小空间。C-T结 构又分水平和垂直两类。水平结构调节方便,谱面不太均匀。垂直结构可以消除彗差和一定 程度避免谱面弯曲,且对准直光要求稍弱。所以主要参考垂直Czerny-Turner结构。
[0105] 光谱仪的参数设计:首先计算能达到的极限分辨率。
[0106] 1)光栅对分辨率的限制
[0107] 用目镜产生的准直光较细,宽度约在4_,分辨率约为0.18nm。
[0108] 2) CCD像元的限制
[0109] CCD共有2700个像元,用于探测780~900nm范围波长,因此每个像元对应0.03nm, 艮PCCD限制的分辨率为0 · 03nm。
[0110] 3)像差的限制
[0111] 本发明采用FRED软件用追迹的方法分析像差。FRED软件为Photon Engineering LLC公司的产品,用于光学系统设计和分析。实验所用版本为4.110.0版。模拟的前提是入射 到光栅上的光为准平行光,不考虑光栅对光束分辨率的限制,不考虑凹面镜表面光的散射, 不考虑杂散光的影响。通过上百条光线的追迹,计算出照射在CCD上的光斑大小。
[0112] 附图5是光斑大小随波长变化曲线,参照附图5,如果是准平行光入射到光栅,在 (XD上的分辨率(指一个像元所对应的波长)最小可小至0.03nm(830nm左右),即使在870nm 也有0.12nm的分辨率。
[0113] 对不同波长光会聚点位置的模拟实验表明,谱线不是规则按照CCD阵列的方向排 列成直线,而是有一定弯曲。这是由于光线的离轴造成的。附图6是谱面弯曲情况(error bar表示光束在垂直谱面方向的半高全宽),由附图6可以看出,在780~850nm范围内,光斑 集中在-ο .005~0.01mm的范围,与CCD长度ΙΙμL?接近。因此,可以认为780~850nm的光斑大 部分都落在像元的区域内。
[0114] 4.准直光散角的限制。根据测量,准直系统出射的准直光散角约为2.7X10'得出 造成的波长误差约在0 · 2nm〇
[0115] 原位在线多尺度影像检测
[0116] 在进行水下检测时,特别是在海洋生物的检测中,由于浮游生物大都处于半透明 状态,进行投影成像时,为了能够清晰成像,探测器的动态范围要大;另一方面,浮游生物总 是运动的,海水取样也是流动的,所以探测器的采集速度又必须足够快。所以在探测器的设 计上非常重要。而且,进行原位在线多尺度的影像检测也是大家所追求的目标。由于在不同 深度下的光线不一样,所以要求我们所涉及的传感装置既具有快速成像的特点又需要高分 辨成像的优势。
[0117] 本发明中从硬件软件两方面着手,研发自取样海水成像系统,以达到原位在线多 尺度成像的目的。在其仪器控制系统中主要包括三个部分:投射光源系统、海水取样系统、 投影成像系统。
[0118] 1.投射光源系统
[0119] 在光源控制方面,为了达到亮度、波长与光束直径上的要求。采用LED光纤的发光 体系,用滤波准直的方法来投影准直。
[0120] 2.海水取样系统
[0121]实现原位在线多尺度成像方案中的一个关键的环节就是海水自取样系统。在进行 取样检测的过程中,要根据检测系统的灵敏度与采集速度来控制海水样品的流量。而且,流 体中的湍流以及散射问题都是决定成像效果的重要因素。因此,在这个海水取样系统中要 注意散射以及防湍防附着防腐蚀的技术改进。
[0122] 3.投影成像系统
[0123] 在进行图像数据采集以及存储处理的时候,需要高速高分辨率的面阵CCD来进行 传感。CCD的扫描速度决定着系统的扫描速度,本发明选用2048个像元,最高光谱采集速度 lOOkl ine/s,光谱分辨率达0.05nm以上的高速相机。而且,为了使得成像分辨率更高,采用 伺服对焦和滤光的方法来优化成像光路。
[0124] 本发明的创新点在于:
[0125] A.用光纤式弱相干干涉的方法实现水下声检测系统。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。
[0126] B.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。从硬 件与软件两个方面着手去研制干涉解调光谱仪,解调出干涉谱中的水声信息,而且〇.〇5nm 的光谱分辨率实质性地提高水声分辨率和成像效果。
[0127] C.多尺度原位在线成像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。
[0128] 这样一套高精度的多尺度成像仪需要从以下几个层面实施推广:1)建立高均匀高 亮度光源模块、全自动消湍流取样模块和全景深大动态范围成像模块等多种硬件模块,为 仪器提供基础硬件平台。2)接口层构建灵活的接口驱动,包括光源增益控制驱动,伺服控制 驱动和高速图像缓存的接口控制等。3)针对任务需求,进行图像评价与增强,获取高质量的 原始图;进行图像校正与配准,获取多模态配准的图像数据;实现多模态图像分析与新特征 挖掘的图像融合算法。4)对海洋浮游生物成像的研究成果进行推广示范应用。
[0129]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在 不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的 保护范围。
【主权项】
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Α-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栗对样品池进行自 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2X2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(XD。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。5. 根据权利要求1所述的系统,其特征在于:所述光谱仪采用垂直Czerny-Turner结构。6. 根据权利要求1所述的系统,其特征在于: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。7. -种海洋立体监测中的水下光学检测与成像传感方法,其特征在于:所述方法应用 于根据权利要求1-6任一项所述的系统,所述方法包括:由所述海水取样模块控制高吸程大 口径自吸栗对样品池进行自动化取样,所述宽谱光源发出平行光以透射样品,经过所述水 声传感器得到干涉信号,再由所述干涉解调光谱仪解调出干涉谱中的水声信息,最后由所 述投影成像模块得到海洋中的浮游生物图像。8. -种用于海洋立体监测的水下光学水声传感器,其特征在于:所述水声传感器采用 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;具体为:所述传感器的宽谱 光源发出的光入射到一个2X2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。
【文档编号】G01S15/89GK105865613SQ201610392177
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】王岢, 张海军, 李旭涛, 叶允明, 徐晓飞
【申请人】哈尔滨工业大学深圳研究生院
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1