CN105607452A - 测量悬浮颗粒沉速的双数字全息成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单光源双全息成像的悬浮颗粒沉速测量装置，其包括一个激光器、一个准直扩束透镜、一个三角棱镜、两个反射镜和两台相机，激光器发出的干涉光通过准直透镜形成平行光束，三角棱镜和两个反射镜在空间分成相隔一定距离的将平行光束变为两束平行干涉光，两束光经过观测的水体空间后到达两台相机成像，从而实现同步记录两个不同位置的全息图像。该全息装置有效的利用一个激光干涉光源，提供相同质量的干涉光束，利用两台以太网相机可以实现在垂线方向上对不同层面区域同时成像，采用目前成熟的商品化图像处理软件，可以对不同距离间隔的悬浮颗粒沉速、尺寸、形状以及空间轨迹进行分析，实时获取不同高度层面的悬浮颗粒变化数据。

Description

测量悬浮颗粒沉速的双数字全息成像装置

技术领域

本发明海洋观测技术领域，尤其涉及一种悬浮颗粒沉速测量的双数字全息装置。

背景技术

沉速是指水体中颗粒下降过程中达到稳定沉降时的速度，研究海洋中的悬浮颗粒具有重大应用和科学意义。譬如悬浮泥沙的沉速可加深了解下泥沙在动力要素影响下的搬运过程、海底地貌演变机理、工程中的海底管线的泥沙掏空造成的灾害；定量观测海水中的悬浮有机颗粒的沉速是研究人类活动对全球碳循环的作用、海洋生物泵的机制以及生物地球化学循环等一些重大科学问题的核心因子。

传统的方法采用多层重复取水样具有较大的缺陷，具体表现为：(1)由于只能采取几个深度层面的水样，无法获取垂线颗粒剖面变化信息及变化拐点，导致悬浮颗粒的沉速分析误差较大；(2)测量过程中取样及测量的工作量较大并且过程较为繁琐(取得的水样需要过滤、红盖来测量浓度)；(3)多层采样过程中难以保证取样的同步性，并且采样过程中会干扰水体动力环境，产生较大的误差。

声波具有在水下的传播损耗小，适于水下大空间尺度的观测。水下声呐通过接收悬浮颗粒动物的反向散射强度信号并在声纳回波图上对不同频率的反向散射强度进行识别以获取悬浮颗粒的数量分布信息。近几十年来先后发展了基于单频、多频以及宽带反向散射的浮游动探测方法。但是回波是个复杂的物理量，至今尚无法彻底了解其真实的物理模型，而近似模型和经验模型与实际应用存在较大的误差；其次，水下悬浮颗粒具有多样性的特点，譬如含有丰富的多类浮游生物，容易造成基于回波强度识别的探测失败或识别错误。因此，基于声学的浮游生物探测技术适于在实验室内对特定的悬浮颗粒进行探测，在实际应用中有待于声学反向散射强度模型进行更深入的探讨，在精度、分辨率等方面需进一步完善。

激光粒度仪及浊度计可以获取颗粒的粒径谱或浓度信息，但是激光粒度仪适于较大颗粒的检测，对于粒径小于100um的粒径难以获取准确的结果。光学浊度计用于测量悬浮泥沙浓度，但是无法细分悬浮颗粒的粒径分布。并且激光粒度仪和光学浊度计都无法给出悬浮颗粒的形状信息，也无法对悬浮泥沙及悬浮浮游生物及海雪等不同类型的颗粒进行识别。

水下光学成像方法能提供声学方法所无法获得的高辨率，可以记录细微空间尺度(厘米级)上浮游颗粒分布信息，提供局部尺度上浮游生物分布的近乎连续图像，同时结合数字图像分析方法可以快速、自动对水体中悬浮颗粒、海雪及浮游生物进行区分，具有其他探测方法所不可比拟的优势。但是基于光学成像的悬浮颗粒检测方法：即所采用的成像方式是把浮游生物表面反射或散射的光通过光学***投影在成像器件CCD(ChargeCoupledDevice)上，只记录了光强度变化，所呈现的只是对真实空间场景从某已特定角度仿射投影的两维(2D)图像显示，因此所采集的图像不可避免的存在浮游生物与浮游生物、浮游生物与悬浮颗粒的相互重叠现象，带来浮游生物目标无法识别的问题；其次两维图像无法提供悬浮颗粒在三维空间的方向变化及空间运动轨迹等信息。

近年来光学全息技术在水下观测中取得了较大进展，在光学全息立体成像过程中，三维信息是通过对光的波前干涉形式记录下来的，观察者不需要佩戴特殊的眼镜即可高度清晰地看到再现的三维场景。由于空间干涉图样信息可以用来进行全息图像的再现，因此全息再现可以对任何深度的物体进行再聚焦(可达100倍)，可以区分不同观测平面(对图像的观测平面进行移动，使之对单个悬浮颗粒进行聚焦观测)，而普通两维图像只是一次性聚焦；同时，全息图像显示的是悬浮颗粒三维立体图像，直接给出符合人眼视差效应的透视信息，并且在大景深内具有较高的图像分辨率和较宽的动态记录范围；其次，全息图像在一次性成像记录中可以记录大空间观测范围信息(几千至百万立方厘米)，使得测量浮游生物的尺寸大小以及相关位置、空间分布状态以及运动速度等生态观测研究的开展成为可能，为揭示水下悬浮颗粒、浮游生物等动态过程提供了新的非接触式观测手段。

传统的同轴激光全息成像装置，采用单个相机对某一观测区域进行全息成像，每个成像***采用一个激光器作为干涉光源。单个同轴激光全息成像装置的成像范围有限，一般是成像器件的尺寸，譬如1英寸的成像靶面成像范围为12.7mm×9.6mm。通常在悬浮颗粒沉速测量中，需要测量垂直方向上悬浮颗粒沉降的距离和时间，进而计算沉速，因此需要至少两台以上的全息成像装置对不同层高度面的悬浮颗粒进行测量。采用两台激光全息成像装置，需要两台激光器，将消耗较大的电源功率，给基于电池供电的水下仪器带来需携带大量电池，导致体积大、投入成本高的问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明采用提供一种悬浮颗粒沉速测量的双数字全息成像装置，其通过三角棱镜和反射镜构成了单光源，实现双光路成像的悬浮颗粒全息成像，该全息成像装置有效的利用一个激光干涉光源，提供相同质量的干涉光，利用两台以太网相机在一定距离间隔的位置进行悬浮颗粒沉速、形状以及空间轨迹的监测，实现对垂线方向上不同高度的区域进行同时成像，利用目前成熟的图像匹配处理商品化软件，可以获取不同高度层面的悬浮颗粒变化状态，为现场连续测量垂线方向悬浮颗粒以及浮游生物或絮凝物的沉速提供一种新的无干扰观测方式，拓展了应用范围。不但可以用于悬浮颗粒形状对与沉速的关系的观测，而且还可以用于悬浮颗粒在沉降过程与絮凝物聚合的过程、湍流对悬浮颗粒空间运动轨迹影响的分析。

基于此，本发明提供一种单激光器悬浮颗粒沉速测量的双数字全息成像装置，其包括一个激光器、一个准直扩束透镜、一个三角棱镜、两个反射镜和两台相机，激光器通过一个准直扩束透镜转换为一束平行光，三角棱镜和两个反射镜将来自准直扩束透镜的光束分离成两路一定距离间隔的干涉光，干涉光经过观测水体到达两台相机成像，从而同步记录两组全息图像。

所述数字全息装置还包括滤波器，该滤波器具体由显微物镜和针孔组成，通过该滤波器形成一个点光源干涉球面波。

所述三角棱镜镀有反射膜，将平行光变为两束光路，一路改变光的传播方向，旋转90度角向上传播；另一路将光的传播方向旋转-90度向下传播。

经过三角棱镜的两束光分别经过两个反射镜再次改变传播方向，成为两束水平传播的光束，两束光束经过观测空间到达两台相机进行成像，每个反射镜与水平位置的夹角为45度。

两台相机高度上相隔一定的距离。

所述数字全息装置还包括以太网线、以太网交换机和嵌入式图像采集器，所述两台相机为以千兆太网接口相机，通过以太网线与以太网交换机连接，利用千兆以太网的多度同步采集功能，采用嵌入式图像采集器即可同时记录两台相机的图像。

所述激光器具体为相干激光器光源。

所述激光器、显微物镜，针孔，准直透镜，三角棱镜和两个反射镜安置在一个T形的水密舱内。

经过两个反射镜的两条平行光束通过水密舱的光学水密窗口传递到相机。

所述两个相机也分别安装在一个水密舱中。

所述以太网交换器、嵌入式图像采集器也安装在一个图像采集水密舱中，该图像采集水密舱还装有电池，为激光器，相机以及图像采集器提供电能。

本发明的有益效果：

本发明提供的单干涉光悬浮颗粒沉速测量的双数字全息成像装置，通过三角棱镜和反射镜构成了单光源，双干涉光路成像的悬浮颗粒全息成像装置。该全息装置有效的利用一个激光干涉光源，提供同样质量的干涉光，利用两台以太网相机实现一定距离间隔的悬浮颗粒沉速、形状以及空间轨迹的监测，可以对垂线方向上不同高度的区域进行同时成像，利用目前成熟的图像匹配处理方法，可以获取不同高度层面的悬浮颗粒变化状态，为现场连续测量垂线方向悬浮颗粒以及浮游生物或絮凝物的沉速提供一种新的无干扰观测方式，提高了应用范围。采用了以太网接口的数字相机，省却了需要匹配专用图像采集卡的需求，降低了成像装置的成本。

附图说明

图1-单激光器悬浮颗粒沉速测量的双数字全息成像装置内部结构图；

图2-单激光器悬浮颗粒沉速测量的双数字全息成像装置整体结构图。

具体实施方式

本发明提供一种单激光器悬浮颗粒沉速测量的双数字全息成像装置，其包括一个激光器、一个准直扩束透镜、一个三角棱镜、两个反射镜和两台相机，激光器通过准直扩束透镜将光束转换为一束平行光，三角棱镜和两个反射镜将来自准直扩束透镜的光束分离成两路一定距离间隔的干涉光，干涉光经过观测水体到达两台相机成像，从而同步记录两组全息图像。

所述数字全息装置还包括滤波器，该滤波器具体由显微物镜和针孔组成，通过该滤波器形成一个点光源干涉球面波。

所述三角棱镜镀有反射膜，将滤波器获得传递的准直光变为两束光，一路旋转90度角向上传播，一路旋转-90度向下传播。

经过三角棱镜的两束光分别经过两个反射镜再次改变传播方向，成为两束平行的光束，两束光束经过观测空间到达两台相机进行成像。

两台相机高度上相隔一定的距离。

所述数字全息装置还包括以太网线、以太网交换机和嵌入式图像采集器，所述两台相机为以太网接口相机，通过以太网线与以太网交换机连接，利用千兆以太网的同步采集功能，采用嵌入式图像采集器即可同时记录两台相机的图像。

所述激光器具体为干相激光器光源，相干光指频率相同，振动方向也相同，并且相位差保持恒定，这样的光源可以产生干涉效应。

所述激光器、显微物镜，针孔，准直透镜，三角棱镜和两个反射镜安置在一个T形的水密舱内。

经过两个反射镜的两条平行光束通过水密舱的光学水密窗口传递到相机。

所述两个相机也分别安装在一个水密舱中。

所述以太网交换器、嵌入式图像采集器也安装在一个图像采集水密舱中，该图像采集水密舱还装有电池，为激光器，相机以及图像采集器提供电能。

以下采用实施例和附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

如图1所示，来自相干激光器1的光经过一个由显微物镜2和针孔11组成的滤波器，形成一个点光源干涉球面波，该球面波通过一个准直扩束透镜3，将发散光束转换为平行光，在平行光光路中设置一个镀有反射膜的三角棱镜4将平行光变为两束光路，一路旋转90度角向上传播，一路旋转-90度向下传播，这两路光波分别经过两个反射镜10，每个反射镜10与水平位置的夹角为45度再次改变传播方向，成为两束平行的光束，光束经过观测空间到达相机进行成像。在经过观测空间时，照射在悬浮颗粒上的光发生衍射作用成为物光，没有照射到悬浮颗粒上的光直接到达相机是参考光，相机成像靶面记录了参考光和物光的干涉强度和相位变化，通过计算可以对空间图像进行重构，再现悬浮物的空间变化状态。以太网相机5和以太网相机9在空间上相隔一定距离，利用以太网线6与千兆以太网交换机8连接，利用千兆以太网的多度同步采集功能，采用嵌入式图像采集器7即可同时记录两台相机的图像。由于相机5和相机9在高度上相隔一定距离，因此悬浮颗粒的沉速首先由相机9观测记录，然后经过一定的时间T到达相机5再次进行记录，即可精确检测悬浮颗粒在空间的运动状态。改善了传统全息成像只能对局部区域悬浮颗粒进行观测的局限性，拓展了观测空间范围，提高了实际观测的应用性能。

下面结合图2对本发明的成像应用作进一步说明。如图2所示，将激光器1，显微物镜2，针孔11，准直透镜3，三角棱镜7和两个反射镜10安置在一个T形的水密舱内12，来自激光器的两路光束分别经过光学窗口透射到水体空间，一束干涉光经过光学水密窗口13由相机5接收，另一束干涉光经过光学水密窗口13由相机9接收，两个相机分别安置在水密舱14和17中，构成两个独立的全息成像***，图像数据经过千兆以太网线6与图像采集水密舱15相连接，利用嵌入式图像采集器7对经过千兆以太网交换机8的两台相机同时进行采集，在图像数据采集舱内装有电池16，为激光器1，相机5和相机9以及图像采集器7提供电能，形成了一种便携式的独立观测装置。该装置可以实时的记录在一定距离间隔的垂向悬浮颗粒运动状态，利用全息图像重构软件可以再现悬浮颗粒在不同垂向层范围的运动轨迹和沉速，结构简单，使用方便，减少了采用两个激光器光源所产生的功耗问题。

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种单激光器悬浮颗粒沉速测量的双数字全息成像装置，其特征在于：包括一个激光器、一个准直扩束透镜、一个三角棱镜、两个反射镜和两台相机，激光器通过准直扩束透镜将光束转换为一束平行光，三角棱镜和两个反射镜将来自准直扩束透镜的光束分离成两路一定距离间隔的干涉光，干涉光经过观测水体到达两台相机成像，从而同步记录两组全息图像。

2.如权利要求1所述的单激光器悬浮颗粒沉速测量的双数字全息成像装置，其特征在于：所述数字全息装置还包括滤波器，该滤波器具体由显微物镜和针孔组成，通过该滤波器形成一个点光源干涉球面波，该球面波通过一个准直扩束透镜将光束转换为一束平行光。

3.如权利要求1或2所述的单激光器悬浮颗粒沉速测量的双数字全息成像装置，其特征在于：所述三角棱镜镀有反射膜，将滤波器获得传递的平行光变为两束光路，一路旋转90度角向上传播，一路旋转-90度向下传播。

4.如权利要求1至3所述的单激光器悬浮颗粒沉速测量的双数字全息成像装置，其特征在于：经过三角棱镜的两束光路分别经过两个反射镜在此改变传播方向，成为两束平行的光束，两束光束经过观测空间到达两台相机进行成像。

5.如权利要求1至4所述的单激光器悬浮颗粒沉速测量的双数字全息成像装置，其特征在于：两台相机高度上相隔一定的距离。

6.如权利要求1至5所述的单激光器悬浮颗粒沉速测量的双数字全息成像装置，其特征在于：所述数字全息装置还包括以太网线、以太网交换机和嵌入式图像采集器。

7.如权利要求1至6所述的单激光器悬浮颗粒沉速测量的双数字全息成像装置，其特征在于：所述两台相机为以太网接口的相机，通过以太网线与以太网交换机连接，利用千兆以太网的多度同步采集功能，采用嵌入式图像采集器即可同时记录两台相机的图像。

8.如权利要求1至7所述的单激光器悬浮颗粒沉速测量的双数字全息成像装置，其特征在于：所述激光器具体为干相激光器光源。

9.权利要求1至8所述单激光器悬浮颗粒沉速测量的双数字全息成像装置在海洋监测过程中的应用。