水下光谱可调照明装置及其光谱调节方法
【专利摘要】本发明公开了一种水下光谱可调照明装置及其光谱调节方法，该装置包括密封舱以及安装在密封舱内的控制模块、照明模块和供电模块，还包括测距模块和光谱感应模块；所述供电模块分别与控制模块和照明模块相连；所述照明模块、测距模块和光谱感应模块均与控制模块相连；所述照明模块在控制模块的控制下发射光源；所述测距模块用于测量目标物体与所述照明装置的距离；所述光谱感应模块接收反射回来的光谱，并将光谱信息传递给控制模块。本发明提供了一种在可见光区(380nm?780nm)能够根据距离自动调节光谱组成成分及光斑亮度输出的水下光谱可调照明装置，为水下摄像等作业时水体对于光的衰减问题提供了解决方案。
【专利说明】
水下光谱可调照明装置及其光谱调节方法
技术领域
[0001] 本发明设及照明领域，具体设及一种水下光谱可调照明装置及其光谱调节方法。
【背景技术】
[0002] 随着陆地资源的日渐枯竭，人们将目光投向了海洋，但是由于水体固有特性，当光 在水下传播时，水体对光具有衰减作用，且衰减会随着波长、距离变化而改变，在进行水下 摄像等光学观测时，图像会发生失真现象，运给水下光学观测等作业带来了极大的挑战。因 此设计一个能根据距离自动调节光谱得到特定目标光谱的水下照明系统十分必要，而led 光源寿命长，耗能小，发光效率高，且其光谱易于调节，为水下光谱可调照明装置的研制提 供了可能。
[0003] 专利CN201410548165提出了一种雾天光谱可调型L抓路灯，该路灯包括一个光谱 可调的Lm)路灯灯具、远程控制设备、手动控制面板，在能见度较差的雾天或重度灰靈天气 时，为道路提供照明；但是它只关注了 570-600nm的黄光波段，波段较短，并且在装置上没有 实现一个控制器控制所有的led,结构繁琐复杂，且只是粗放地控制装置发出大致的黄光， 不设及反馈调节，无法精确模拟所需目标光谱。
[0004] 到目前为止，有很多学者研究了基于led灯的光谱可调光源，更多侧重于光源发出 光颜色的研究，且光源所发出光的光谱不能根据照射距离的改变而特定变化;市面上尚未 出现能根据距离自动调节光谱的水下光谱可调照明装置。
【发明内容】
[0005] 本发明克服了现有技术中的缺点，目的在于解决水下摄像等作业时水体对于光的 衰减作用，提供了一种在可见光区（380nm-780nm)能够根据距离自送调节光谱组成成分及 光斑亮度输出的水下光谱可调照明装置。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明通过W下技术方案实现的：一种水下光谱可调照 明装置，包括密封舱W及安装在密封舱内的控制模块、照明模块和供电模块，还包括测距模 块和光谱感应模块;所述供电模块分别与控制模块和照明模块相连;所述照明模块、测距模 块和光谱感应模块均与控制模块相连;所述照明模块在控制模块的控制下发射光源;所述 测距模块用于测量目标物体与所述照明装置的距离;所述光谱感应模块接收反射回来的光 谱，并将光谱信息传递给控制模块。
[0007] 进一步地，所述密封舱包括外壳和玻璃窗口；所述外壳上开有用于安装玻璃窗口 的通孔;所述控制模块包括控制忍片和数据库忍片，控制忍片和数据库忍片相连;所述照明 模块包括led灯组部件和光混合部件;所述光混合部件安装在玻璃窗口后部，所述led灯组 部件安装在光混合部件后部;所述测距模块安装在玻璃窗口的后部;所述光谱感应模块包 括滤光片和光谱感应器件;所述滤光片安装在玻璃窗口的后部，所述光谱感应部件安装在 滤光片后部;所述测距传感器和光谱感应器件均与控制忍片相连;所述控制忍片和led灯组 部件均与供电模块相连。
[0008] 进一步地，所述光混合部件由灯罩、漫散射透镜和聚光透镜组成，所述灯罩安装在 led灯组部件与玻璃窗口之间，所述灯罩内从左到右依次开有用于固定漫散射透镜和聚光 透镜的凹槽。
[0009] 进一步地，所述供电模块包括电源和适配器，其中，电源通过适配器调节输出电 压，一路与控制忍片相连，为其提供工作电压；另一路分别与led灯组模块的每一个led相 连，给led灯组模块的每一个led供电，且控制忍片通过控制适配器的输出电流占空比来控 制每一个led的发出光的光谱。
[0010] 作为优选，所述光谱感应器件为光敏电阻或光电二极管。
[0011] 作为优选，所述测距模块为测距传感器，所述测距传感器为声波测距或激光测距。
[0012] 进一步地，所述led灯组部件中的所有led在额定功率下均为单波峰光谱分布，且 峰值波长在380-780nm之间，各峰值等间距，各种不同波峰的led各有若干个。
[0013] 进一步地，所述滤光片的波段在380-780nm之间。
[0014] -种上述的水下光谱可调照明装置的光谱调节方法，包括W下步骤：
[0015] 1)选用N种不同波峰的1 ed灯，N种不同波峰的1 ed灯组成的光谱范围涵盖380nm-780nm波段，每种led灯各若干个，N为大于等于15小于等于30的正整数;将N种不同波峰的 1 ed灯的光谱分布数据fn(A)存储到数据库忍片中，其中n = 1、2、3……N; A为1 ed灯的波长， 在380nm到780nm之间；
[0016] 2)测距模块实时测量所述水下光谱可调照明装置与水下被观测目标物之间的距 离L，并将距离L保存到控制忍片中；
[0017] 3)根据步骤2得到的距离L，控制忍片计算led灯组部件所需要发出的总光谱F(A), 其模型算法为：
[001 引 Fo(A)=F(A) XKa(A) XKb(A) Xe-aWL
[0019]其中，Fg(A)为目标光谱;Ka(A)为窗口玻璃的透光率;Kb(A)为漫散射透镜和聚光透 镜的综合透光率，即漫散射透镜的透光率乘W聚光透镜的透光率;O(A)为水体的衰减系数；
[0020] 4)根据步骤3得到的F(A),控制忍片拟合得出各种不同波峰led灯的光谱分布数据 fn(A)的比重，其拟合算法为：
[0021]
[0022] 其中，X1，X2,. . .，Xn为N种不同波峰led的fnW的比重；
[0023] 5)根据步骤4得到的N种不同波峰led的光谱分布数据fn(A)的比重Xn,控制忍片将N 种不同波峰led的光谱分布数据fn(A)的比重Xn转化为对应占空比的矩形脉冲电流信号，并 将该矩形脉冲电流信号输出给led灯组部件，led灯组部件根据接收到的矩形脉冲电流信 号，控制每一个led灯所发出光的光谱，从而使得led灯组部件发出光谱为F(A)的光；
[0024] 6)根据步骤51ed灯组部件发出的光经过被测目标反射回来，经过滤光片，打到光 谱感应器件上，光谱感应器件得到探测波长的光谱数据(A)，并将探测波长的光谱数据 (入)传递给控制忍片；控制忍片比较探测波长的光谱数据(A)与理论光谱数据Fe/ (A)，当
误差大于时，对输出对应占空比的矩形脉冲电流信号进行校正，控制led 灯组部件11实时发出的光经过水体衰减照射在被测目标物上，使被测目标物上的照射光的 光谱始终维持在Fo(A)，从而使系统保持动态稳定;其中ee[5%，15%。
[0025] 进一步地，所述理论光谱数据Fe/ (A)满足：
[0026] Fo'(入）=Fo(入）XKa(A)XKc(A)XR(A)Xe-OWL
[0027] 其中，R(A)为被测物体目标的光谱反射率;Ka(A)为窗口玻璃的透光率;K。(A)为滤 光片的透光率;Fe/(A)为光谱感应器件检测得到对应波长的理论光谱数据。
[0028] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0029] (1)通过上述的技术方案，可实现380nm-780nm任意光谱分布的光的调制，光斑强 度可调。
[0030] (2)根据测距模块测量得到照明距离，控制模块自动调节照明模块中led灯组部件 发出对应的补偿光谱，为水下摄像等水下作业提供照明，解决水体对光的衰减作用而导致 的图像失真问题；
[0031] (3)可W根据光谱感应器件探测到的光谱信息实时调整水下光谱可调照明装置的 输出，使其输出光谱保持稳定。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明的各模块连接示意图；
[0033] 图2为本发明的结构示意图；
[0034] 图3为本发明的光谱感应模块示意图；
[0035] 图4为本发明反馈调节led灯组部件发出光谱的控制图；
[0036] 图中，密封舱1、控制模块2、照明模块3、供电模块4、测距模块5、光谱感应模块6、外 壳7、玻璃窗口 8、控制忍片9、数据库忍片10、1 ed灯组部件11、光混合部件12、滤光片13、光谱 感应器件14、测距传感器15、灯罩16、漫散射透镜17、聚光透镜18、电源19、适配器20。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步的说明。
[0038] 如图1-3所示，本发明包括密封舱IW及安装在密封舱1内的控制模块2、照明模块 3、供电模块4;所述密封舱1包括外壳7和玻璃窗口 8;所述外壳7上开有用于安装玻璃窗口 8 的通孔;所述控制模块2包括控制忍片9和数据库忍片10,控制忍片9和数据库忍片10相连； 所述照明模块3包括led灯组部件11和光混合部件12;所述光混合部件12安装在玻璃窗口 8 后部，所述led灯组部件11安装在光混合部件12后部;所述供电模块4包括电源19和适配器 20,其中，电源19通过适配器20调节输出电压，一路与控制忍片9相连，为其提供工作电压； 另一路分别与led灯组模块11的每一个led相连，给led灯组模块11的每一个led供电，且控 制忍片9通过控制适配器20的输出电流占空比来控制每一个led的发出光的光谱;本发明还 包括测距模块5和光谱感应模块6;所述测距模块5为测距传感器15,安装在玻璃窗口 8的后 部;所述光谱感应模块6包括滤光片13和光谱感应器件14;所述滤光片13安装在玻璃窗口 8 的后部，所述光谱感应部件14安装在滤光片13后部;所述光谱感应器件14可W为光敏电阻、 光电二极管或者其他传感器。所述测距传感器15和光谱感应器件14均与控制忍片9相连，控 制忍片9控制测距传感器15和光谱感应器件14开关、为测距传感器15和光谱感应器件14提 供电能W及读取测距传感器15和光谱感应器件14所测量的数据。
[0039] 所述测距传感器15可W为声波测距、激光测距或者其他传感器;所述测距模块5设 置在照明模块3上部;所述led灯组部件11中的所有led在额定功率下均为单波峰光谱分布， 且峰值波长在380-780nm之间，各峰值等间距，间距为15nm，各种不同波峰的led各有若干 个;所述光混合部件12由灯罩16、漫散射透镜17和聚光透镜18组成，如附图2所示，所述灯罩 16安装在led灯组部件11与玻璃窗口8之间，所述灯罩16内从左到右依次开有用于固定漫散 射透镜17和聚光透镜18的凹槽；
[0040] 所述滤光片13的波段在380-780nm之间，所述滤光片13的个数可W根据光谱可调 的精度和波段进行增减。
[0041] 本实施例中，所述玻璃窗口 8采用的是蓝宝石玻璃，但不限于此;所述控制忍片9和 数据库忍片10采用的均为ATM化公司的AVR单片机，但不限于此;所述led灯组部件11采用 THR0ALBS公司的led,但不限于此;所述漫反射透镜17和聚光透镜18均为化rolabs公司生 产，但不限于此;所述滤光片13为T皿OALBS公司介质膜滤光片，但不限于此;所述光谱感应 部件14为光电二极管，但不限于此;所述测距传感器15为激光测距传感器，但不限于此;所 述电源19为裡电池，但不限于此;所述适配器20为CRffi驱动器忍片;但不限于此。
[0042] 如图4所示，本发明包括一种水下光谱调节方法，包括W下步骤：
[0043] 1)当我们利用水下光谱成像技术实时观测珊瑚的生长情况时，将水下光谱可调照 明装置同水下光谱相机放置在同一位置，置于潜器之上，提供照明，为了保证水下光谱成像 所拍摄图像不失真，则光谱感应器件14所监测到的反射光的理论光谱Fe/(A)应该为太阳光 光谱，即所述水下光谱可调照明装置发出光经过珊瑚反射回来，光谱感应器件14监测到的 光(也是进入相机之内的光）的光谱分布与太阳光光谱分布一样;运里我们选用光谱范围涵 盖400nm-700nm波段的led灯21种，其中波峰波段分别为400nm，415nm，，，700nm，即led灯波 峰间距为15nm，每种led灯各10个;将2巧巾不同波峰led的光谱分布数据fn(l)存储到数据库 忍片10中，其中，n = l、2、3……21; A为led灯的波长，在400皿到700皿之间；首先，打开电源 19,控制忍片9控制测距模块5测量水下光谱可调照明装置与水下被观测目标物即珊瑚之间 的距离L，并将距离L保存到控制忍片9中；
[0044] 2)根据步骤1得到的距离L，控制忍片9计算led灯组部件11所需要发出的总光谱F (1)，其模型算法为：
[0045] Fo(A)=F(A) XKa(A) XKb(A) Xe-aWL
[0046] 其中，Fo(A)为目标光谱（1在400nm到700nm之间），为已知量;Ka(A)为窗口玻璃8的 透光率，已知;Kb(A)为漫散射透镜17和聚光透镜18的综合透光率，即漫散射透镜的透光率 乘W聚光透镜的透光率，为已知;Q(A)为水体的衰减系数，事先已测量；
[0047] 3)根据步骤2得到的F(A),控制忍片9拟合得出各种不同波峰led的fn(l)的比重， 其拟合算法为：
[004引
[0049] 其中，xi，X2,. . .，X2i为2巧中不同波峰led的fn(A)的比重；
[0050] 4)根据步骤3得到的21种不同波峰led的光谱分布数据fn(A)的比重Xn,控制忍片9 将21种不同波峰led的fn(l)的比重Xn转化为对应占空比的矩形脉冲电流信号，并将该矩形 脉冲电流信号输出给led灯组部件11 ,led灯组部件11根据接收到的矩形脉冲电流信号，控 制每一个led灯所发出光的光谱，从而使得led灯组部件11发出光谱为F(A)的光；
[0051] 5)根据步骤41ed灯组部件11所发出的光经过被测目标反射回来，经过所述滤光片 13,打到所述光谱感应器件14上，光谱感应器件14得到探测波长的光谱数据F^(A),并将探 测波长的光谱数据户（A)传递给控制忍片9;控制忍片9比较探测波长的光谱数据户（A)与理 论光谱数据Fe/ (A)，兰
吴差大于时，对输出对应占空比的矩形脉冲电 流信号进行校正，控制led灯组部件11实时发出的光经过水体衰减照射在被测目标物上，使 被测目标物上的照射光的光谱始终维持在Fo(A)，从而使系统保持动态稳定;理论光谱数据 Fe/(A)理论值满足：
[005^ Fo'(入）=Fo(入）XKa(A)XKc(A)XR(A)Xe-OWL
[0053] 其中，R(A)为被测物体目标的光谱反射率，已测得;Ka(A)为窗口玻璃8的透光率， 已知;Kc(A)为滤光片13的透光率，已知;Fe/(A)为光谱感应器件14检测得到对应波长的理论 光谱数据。
[0054] 只要合理设置目标光谱，所述水下光谱可调照明装置可W得到任意形态的光谱分 布，用于水下多种用途。
[0055] 本领域的技术人员将清楚的是，随着技术的发展，可W W许多不同的方式来实现 本发明的基本构想。因此，本发明及其实施例不限于上文所述的实例，而是可在权利要求的 范围内变化。
【主权项】
1. 一种水下光谱可调照明装置，包括密封舱（1)W及安装在密封舱（1)内的控制模块 (2) 、照明模块(3)和供电模块(4)等，其特征在于，还包括测距模块(5)和光谱感应模块(6); 所述供电模块(4)分别与控制模块(2)和照明模块(3)相连;所述照明模块(3)、测距模块(5) 和光谱感应模块(6)均与控制模块(2)相连;所述照明模块(3)在控制模块(2)的控制下发射 光源;所述测距模块(5)用于测量目标物体与所述照明装置的距离;所述光谱感应模块(6) 接收反射回来的光谱，并将光谱信息传递给控制模块(2)。2. 根据权利要求1所述的水下光谱可调照明装置，其特征在于，所述密封舱（1)包括外 壳(7)和玻璃窗口（8);所述外壳(7)上开有用于安装玻璃窗口（8)的通孔;所述控制模块(2) 包括控制忍片(9)和数据库忍片（10)，控制忍片(9)和数据库忍片（10)相连;所述照明模块 (3) 包括led灯组部件（11)和光混合部件（12);所述光混合部件（12)安装在玻璃窗口（8)后 部，所述led灯组部件（11)安装在光混合部件（12)后部;所述测距模块(5)安装在玻璃窗口 (8) 的后部;所述光谱感应模块(6)包括滤光片（13)和光谱感应器件（14);所述滤光片（13) 安装在玻璃窗口（8)的后部，所述光谱感应部件（14)安装在滤光片（13)后部;所述测距传感 器（15)和光谱感应器件（14)均与控制忍片（9)相连;所述控制忍片(9)和led灯组部件（11) 均与供电模块(4)相连。3. 根据权利要求2所述的水下光谱可调照明装置，其特征在于，所述光混合部件（12)由 灯罩(16)、漫散射透镜（17)和聚光透镜（18)组成，所述灯罩(16)安装在led灯组部件（11)与 玻璃窗口（8)之间，所述灯罩（16)内从左到右依次开有用于固定漫散射透镜（17)和聚光透 镜（18)的凹槽。4. 根据权利要求3所述的水下光谱可调照明装置，其特征在于，所述供电模块(4)包括 电源（19)和适配器（20)，其中，电源（19)通过适配器(20)调节输出电压，一路与控制忍片 (9) 相连，为其提供工作电压;另一路分别与led灯组模块(11)的每一个led相连，给led灯组 模块(11)的每一个led供电，且控制忍片(9)通过控制适配器(20)的输出电流占空比来控制 每一个led的发出光的光谱。5. 根据权利要求2所述的水下光谱可调照明装置，其特征在于，所述光谱感应器件（14) 为光敏电阻或光电二极管。6. 根据权利要求2所述的水下光谱可调照明装置，其特征在于，所述测距模块(5)为测 距传感器(15)，所述测距传感器(15)为声波测距或激光测距。7. 根据权利要求2所述的水下光谱可调照明装置，其特征在于，所述led灯组部件（11) 中的所有led在额定功率下均为单波峰光谱分布，且峰值波长在380-780nm之间，各峰值等 间距，各种不同波峰的led各有若干个。8. 根据权利要求2所述的水下光谱可调照明装置，其特征在于，所述滤光片（13)的波段 在 380-780nm之间。9. 一种利用权利要求4所述的水下光谱可调照明装置的光谱调节方法，其特征在于，包 括W下步骤： 1)选用N种不同波峰的led灯，N种不同波峰的led灯组成的光谱范围涵盖380nm-780皿 波段，每种led灯各若干个，N为大于等于15小于等于30的正整数;将N种不同波峰的led灯的 光谱分布数据?·η(λ)存储到数据库忍片（10)中，其中n=l、2、3……Ν;λ为led灯的波长，在 380nm 到 780nm之间； 2) 测距模块(5)实时测量所述水下光谱可调照明装置与水下被观测目标物之间的距离 L，并将距离L保存到控制忍片(9)中； 3) 根据步骤2得到的距离L，控制忍片(9)计算led灯组部件（11)所需要发出的总光谱F (λ)，其模型算法为： Ρ〇(λ)=Ρ(λ) XKa(A) XKb(A) Xe-aWL 其中，F〇a)为目标光谱;Κ3(λ)为窗口玻璃(8)的透光率;Kb(A)为漫散射透镜（17)和聚 光透镜（18)的综合透光率，即漫散射透镜的透光率乘W聚光透镜的透光率;α(λ)为水体的 衰减系数； 4) 根据步骤3得到的Ρ(λ)，控制忍片(9)拟合得出各种不同波峰led灯的光谱分布数据fn (λ)的比重，其拟合算法为：其中，Χ1，Χ2, . . .，Χη为Ν种不同波峰led的fn(A)的比重； 5) 根据步骤4得到的N种不同波峰led的光谱分布数据?·η(λ)的比重Xn，控制忍片（9)将N 种不同波峰led的光谱分布数据?·η(λ)的比重Χη转化为对应占空比的矩形脉冲电流信号，并 将该矩形脉冲电流信号输出给led灯组部件（11)，led灯组部件（11)根据接收到的矩形脉冲 电流信号，控制每一个led灯所发出光的光谱，从而使得led灯组部件（11)发出光谱为Ρ(λ) 的光； 6) 根据步骤51ed灯组部件（11)发出的光经过被测目标反射回来，经过滤光片（13)，打 到光谱感应器件（14)上，光谱感应器件（14)得到探测波长的光谱数据F/(λ)，并将探测波长 的光谱数据F/ (λ)传递给控制忍片(9);控制忍片(9)比较探测波长的光谱数据F/ (λ)与理论 光谱数据Fc/ (λ)，^误差大于时，对输出对应占空比的矩形脉冲电流信号 进行校正，控制led灯组部件（11)实时发出的光经过水体衰减照射在被测目标物上，使被测 目标物上的照射光的光谱始终维持在F〇a)，从而使系统保持动态稳定；其中ε￡ [5%， 15%]。10.根据权利要求9所述的水下光谱调节方法，其特征在于，所述理论光谱数据Fc/(λ)满 足： F(/ (λ) =Ρο(λ) XKa(A) XKc(A) ΧΚ(λ) Xe-aWL 其中，Κ(λ)为被测物体目标的光谱反射率;Ka(A)为窗口玻璃(8)的透光率;Ke(A)为滤光 片（13)的透光率;Fc/(λ)为光谱感应器件(14)检测得到对应波长的理论光谱数据。
【文档编号】H05B33/08GK105848359SQ201610343626
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】宋宏, 陈瑶, 洪逸豪, 戴文迪, 严舒豪, 杨萍, 方美芬
【申请人】浙江大学, 杭州电子科技大学, 杭州蓝科光电科技有限公司