CN107688635B - 基于后向偏振散射的海藻识别方法和应用于该方法的装置 - Google Patents

Abstract

基于后向偏振散射的海藻识别方法和应用于该方法的装置，方法：建立目标海藻数据库：包括海藻的专有名称或代号、特异性参数及其判据、入射偏振态以及需要测量的出射偏振态；当需要判断一未知海藻是否为目标海藻A时：根据数据库，基于A对应的入射偏振态产生入射偏振光，投射于未知海藻；获取经未知海藻散射后的出射偏振光并测量A对应的需要测量的出射偏振态；根据测量得到的出射偏振态计算对应于A的特异性参数并判断计算出的特异性参数的值是否满足数据库中A的特异性参数的判据，若满足，则未知海藻为目标海藻A；否则，未知海藻非目标海藻A。装置包括沿光路依次设置的入射光源、起偏器、检偏器和偏振探测器，起偏器和检偏器之间为样品区域。

Description

基于后向偏振散射的海藻识别方法和应用于该方法的装置

技术领域

本发明涉及利用光学方法识别海藻的技术，具体涉及一种基于后向偏振散射的海藻识别方法和装置。

背景技术

悬浮藻类是水域能量循环的基础，长时间的原位监测对研究水生态有着重要的意义。随着工业的发展，越来越多的工业废弃物被排入江河湖泊，造成水的富营养化，从而使得水中某些浮游藻类爆发性增殖或高度聚集，继而引起水体污染，甚至有些带有毒素的藻类会通过食物链危害到水产品的安全。近年来，人们对于绿水青山的良好生态环境的呼声不断提高，国家对水体污染的治理力度也不断加大，此时，对于识别和监测某些赤潮藻的研究也迫在眉睫。

光学方法因为其无损、非接触、分辨率高等优势而广泛应用于海藻的检测。光散射方法是一种主动照明的测量方法，它基于了散射强度、偏振角度、光谱特征与悬浮物的形态、大小紧密相关的原理，来进行海藻的检测。比如国内中科院南海所的曹文熙团队通过建模和计算海藻的光散射分布，发现了海藻的吸收、散射等固有光学量以及大小、结构等几何特征。目前，对海藻的识别多为显微镜观察、生化方法鉴定等；水下原位识别海藻以成像、光散射技术的方法为主。但是与图像和光散射现象有关的因素很多，利用图像和光散射信号识别海藻还面临着信息量不足的问题。

发明内容

偏振与强度、光谱等一样，是光的固有特征，偏振测量可以增加信息量，并且它很容易与传统光强、光谱测量方法融合。同时，偏振对形态和细微结构敏感，偏振测量可以获得海藻的形态、内部结构的信息，可以增加海藻识别的准确率。

本发明针对现有技术的不足，提出一种利用后向偏振散射技术识别海藻的方法。不同海藻的形态、大小、内部结构导致其偏振性质不同，而区分海藻的偏振性质可称为特异性参数，它是海藻整体偏振性质的投影或部分。基于此，在入射偏振光的照射下，测量海藻的后向散射光，得到海藻的特异性参数，从而可以对海藻进行识别。

本发明为达上述目的所提出的技术方案如下：

一种基于后向偏振散射的海藻识别方法，包括

建立目标海藻的数据库，所述数据库中各目标海藻的数据包括：专有名称或代号、特异性参数及其判据、入射偏振态以及需要测量的出射偏振态；其中，所述特异性参数及其判据反映不同目标海藻的不同偏振性质；

当需要判断一未知海藻是否为数据库中的目标海藻A时，执行以下操作A1至A3：

A1、根据所述数据库，基于目标海藻A对应的入射偏振态产生入射偏振光，并投射于所述未知海藻；

A2、获取经所述未知海藻散射后的出射偏振光，并测量目标海藻A对应的所述需要测量的出射偏振态；

A3、根据测量得到的出射偏振态计算对应于目标海藻A的特异性参数，并判断计算出的特异性参数的值是否满足数据库中存储的目标海藻A的特异性参数的判据，若满足，则所述未知海藻为目标海藻A；若不满足，则所述未知海藻非目标海藻A。

本发明提供的上述基于后向偏振散射的海藻识别方法，可以用于水域研究和环境治理过程中的有害海藻判别。在水域环境治理过程中，需要研究哪些有害海藻，就先将这些目标海藻的样品于实验室进行研究，建立它们的数据库。在实际应用过程中需要判定某未知海藻是否为我们研究的目标海藻时，可以有针对性地选择将数据库中该目标海藻的测量参数用于该未知海藻，看得出的特异性参数值是否满足该目标海藻的特异性参数的判据，以此来判别该未知海藻是否为该目标海藻。本发明的这种有针对性的识别方法，可以快捷识别海藻；其中的后向偏振散射测量方法能够更准确地分辨海藻。

本发明另还提出了一种应用于前述海藻识别方法的装置，该装置包括沿光路依次设置的入射光源、起偏器、检偏器和偏振探测器，所述起偏器和检偏器之间为样品区域；其中，入射光源经由起偏器形成入射偏振光，以投射到位于所述样品区域内的海藻上，经由海藻散射后的光信号经过检偏器，形成出射偏振光并由偏振探测器接收。

本发明提供的上述装置，通过起偏器产生入射偏振光投射于待测样品海藻，并通过检偏器获得海藻的后向散射偏振光，再用偏振探测器接收经过了检偏器的出射偏振光，得到出射偏振态，再基于已知的入射偏振态，可以获知待测海藻的偏振性质，从而识别出待测的海藻是否为目标海藻。本发明的海藻识别装置，为水下海藻识别装置的应用提供了可能，使海藻识别不再停留于实验室阶段。

附图说明

图1是本发明的海藻识别装置的一种具体示例图；

图2是本发明的海藻识别装置应用于水下的应用示意图；

图3是利用本发明的海藻识别装置对三种海藻进行测量得到的偏振特征分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选的实施方式对本发明作进一步说明。

不同的海藻，其外在形态和内在的结构(粒子特征)会有所不同，这些不同导致海藻对光的偏振态的反应不同，即不同海藻的偏振性质不同，可以采用Mueller(穆勒)矩阵来表示海藻的偏振性质，穆勒矩阵如下：

为4×4的矩阵，共16个阵元。

偏振性质意味着海藻会对照射于它的入射偏振光产生影响，得到被海藻偏振性质调制后的出射偏振光，其中，入射偏振光和出射偏振光均可采用Stokes向量来表示，Stokes向量如下：

其中，I表示光强，I(0°)、I(90°)、I(45°)、I(135°)分别表示光强在0°、90^°、45°、135°方向上的投影，它们叫做偏振分量；I(R)、I(L)分别表示右旋偏振分量和左旋偏振分量。通过偏振探测器测量这些偏振分量中的至少4个，则可以得到Stokes矩阵的全部阵元，根据此方法可以得到出射偏振态。

入射偏振光、出射偏振光与穆勒矩阵之间具有以下关系：

S_out＝M*S_in

其中，S_out为表示出射偏振光偏振态的Stokes向量(可以简称为“出射偏振态”)，S_in为表示入射偏振光偏振态的Stokes向量(可以简称为“入射偏振态”)。

基于上述关系式，给定入射偏振光对某一海藻进行照射(即S_in已知)，并测量该经由海藻散射后的出射偏振光的多种光强，得到S_out，进行多次入射-散射后，可计算出穆勒矩阵M的部分或全部阵元。正如前面所述的，穆勒矩阵反应的是样品的偏振性质，我们研究发现，只有部分偏振性质是特异性的(区别于其它海藻)，那么，我们只需要测量这部分特异性偏振性质所对应的阵元，即可二分类识别海藻。

基于前述的思想，本发明的具体实施方式提出了一种基于后向偏振散射技术的海藻识别方法，包括以下步骤1和2：

步骤1，选取需要研究关注的海藻(例如赤潮藻)于实验室进行研究，以建立目标海藻的数据库。在该数据库中，对于每种目标海藻而言，存储有其对应的专有名称或代号、特异性参数及其判据、入射偏振态以及需要测量的出射偏振态。其中，对于每种目标海藻而言，其对应的特异性参数及特异性参数的判据反映了它与别的海藻不同的偏振性质。例如，数据库中的目标海藻A，特异性参数为[m₂₁+m₂₄,m₃₁+m₃₄](即穆勒矩阵的第2行第1列、第4列的阵元，和第3行第1列、第4列的阵元)，特异性参数的判据为m₂₁+m₂₄<0.5且m₃₁+m₃₄<-0.3，由于特异性参数为[m₂₁+m₂₄,m₃₁+m₃₄]，这就决定了目标海藻A的入射偏振态为圆偏振态(即对应于圆偏振光的偏振态)、并且需要测量的出射偏振态是[U/I,Q/I]。因此，在数据库中，数据存储的形式例如可以是，以目标海藻A为例：

A

[m<sub>21</sub>+m<sub>24</sub>,m<sub>31</sub>+m<sub>34</sub>]

m<sub>21</sub>+m<sub>24</sub>&lt;0.5

m<sub>31</sub>+m<sub>34</sub>&lt;-0.3

圆偏振

[U/I,Q/I]

步骤2，当需要判断一未知海藻是否为数据库中的目标海藻A(目标海藻A只是一个代号，A并不代表某种特定的海藻)时，执行以下操作A1至A3：

A1、根据所述数据库，基于目标海藻A对应的入射偏振态产生入射偏振光，并投射于所述未知海藻；

A2、获取经所述未知海藻散射后的出射偏振光，并测量目标海藻A对应的所述需要测量的出射偏振态；

A3、根据测量得到的出射偏振态计算对应于目标海藻A的特异性参数，并判断计算出的特异性参数的值是否满足数据库中存储的目标海藻A的特异性参数的判据，若满足，则所述未知海藻为目标海藻A；若不满足，则所述未知海藻非目标海藻A。

为了研究某水域中的海藻，需要确定其中的未知海藻是否是我们研究数据库中的某些海藻(一般研究有害海藻，例如赤潮藻)，具体而言，例如需要判断水域中的某未知海藻是否是数据库中的赤潮藻A(其数据可继续采用前述的例子)，则可以根据数据库，选择采用圆偏振光照射该未知海藻，然后获取经该未知海藻散射后的出射偏振光，并测量Stokes向量中的三个分量I、U、Q，然后计算U/I和Q/I，即得到对应于海藻A的特异性参数m₂₁+m₂₄＝0.4，m₃₁+m₃₄＝-0.8，则根据特异性参数判据m₂₁+m₂₄<0.5且m₃₁+m₃₄<-0.3，可判断当前测量的未知海藻并非目标海藻A。又比如，还需要判定该未知海藻是否为数据库中的目标海藻B，则可以采用海藻B所对应的偏振光(例如线偏振光)来照射该未知海藻，相应地测量出射偏振光中对应的线偏振光的数据，计算得到对应于海藻B的特异性参数的值，再判断计算出的值是否满足海藻B的特异性参数的判据，若满足，则判断该未知海藻为目标海藻B。

需要说明，前述海藻识别方法的步骤1和2，并非代表步骤1必须在步骤2之前实施，数据库是可以在不断的应用实践中逐渐积累的。

在一种具体的实施例中，可通过如下方式获取目标海藻的特异性参数：针对一待定目标海藻，选取多种对照海藻；并分别测量该待定目标海藻和对应的多种对照海藻的穆勒矩阵；将该待定目标海藻的穆勒矩阵分别与多种对照海藻的穆勒矩阵进行比对，从中选取使得待定目标海藻与多种对照海藻形成区分的穆勒矩阵阵元和/或阵元的组合，作为所述特异性参数。例如，在获取目标海藻A的特异性参数时，可以采用随机的100种不同海藻作为对照海藻，来进行实验，获得其特异性参数。特异性参数可以是矩阵的部分阵元，例如前述的海藻A的特异性参数是阵元m₂₁,m₂₄,m₃₁,m₃₄；某些海藻的特异性参数则是穆勒矩阵的阵元组合，例如是[m₂₁+m₂₂,m₃₁+m₃₂]；又有些海藻的特异性参数同时包括阵元和阵元组合，例如是[m₂₁+0.707m₂₂-0.707m₂₃,m₄₁+0.707m₄₂-0.707m₄₃]。

在优选的实施例中，测量待定目标海藻和对应的多种对照海藻的穆勒矩阵具体包括：对所述待定目标海藻和多种对照海藻，分别各自执行以下操作B1至B3：

B1、给予相同的入射偏振光照射，经海藻散射后，通过检偏器收集检测海藻散射出的偏振光，并通过偏振探测器探测不同方向、角度的光强，得到光强分量I、Q、U、V，即得到各自的出射偏振态。

B2、多次改变入射偏振态，以多次执行A1，得到各自的多个出射偏振态；海藻的穆勒矩阵为4×4，则至少需要16种不同的入射偏振态-出射偏振态的组合，才可计算得到穆勒矩阵的全部阵元。

B3、基于S_out＝M*S_in，计算各自的穆勒矩阵。

数据库中各目标海藻对应的入射偏振态以及需要测量的出射偏振态是基于S_out＝M*S_in，根据所述特异性参数来确定。

在优选的实施例中，光源经由起偏器形成所述入射偏振光；通过检偏器得到经由海藻散射后的出射偏振光；通过偏振探测器接收探测所述出射偏振光的光强。

本发明的另一实施例提供一种基于后向偏振散射的海藻识别装置，该装置可用于前述的海藻识别方法中，基于已有的数据库，执行海藻识别的步骤。该装置包括沿光路依次设置的入射光源、起偏器、检偏器和偏振探测器；所述起偏器和所述检偏器之间为样品区域，待测的海藻样品则位于该区域中。入射光源经由起偏器形成一种或多种入射偏振光，以投射到样品区域内的海藻上，经由海藻散射后的光信号经过检偏器，形成出射偏振光并由偏振探测器接收。在一些优选的实施例中，还可包括设置于起偏器和样品区域之间光路上的用于使入射偏振光变窄的通光孔，从而使得海藻样品被照射的区域变小，也即，通光孔是位于样品海藻和起偏器之间的光路上。还可进一步包括设置于检偏器和样品区域之间光路上的针孔和透镜组合，所述针孔和透镜组合用于改变偏振探测器接收到的物象(探测区)大小，也即，针孔和透镜组合是位于样品海藻和检偏器之间的光路上。

一种优选的实施例提供了如图1所示的基于后向偏振散射的海藻识别装置，包括光路上依次设置的入射光源10、起偏器20、小孔30、样品区域40、透镜50、针孔60、检偏器70和偏振探测器80。光源10提供有限宽度的平行光(例如可以是激光)，光束经过起偏器20后，形成入射偏振光，该入射偏振光投射到放置于样品区域40内的样品海藻(一般是置于烧杯中)，通过海藻散射后的光信号经过检偏器70，就会得到散射后的出射偏振光，进而由偏振探测器80接收。偏振探测器80探测到出射偏振光的光强(即偏振数据)，可用于计算出射偏振态Stokes向量。如图1所示，光路上小孔30使入射偏振光进一步变窄，从而使得样品海藻被照射的区域变小，针孔60和透镜50的组合是利用了物象关系，通过限制像的大小来限制被接收到的物的大小，即进一步使偏振探测器探测到的体积变小。基于此，我们能够将探测体积变得足够小，以至于样品几乎只能一个一个的通过该探测体积，从而实现单个测量，比如本发明的装置还可采用前述的识别方法来识别其他颗粒物(颗粒物：有明显边界的物质)。

将本实施例中的海藻识别装置置于水下应用时，例如可以是如图2所示的状态，整个装置位于水下密封舱200内，经过起偏器后形成的入射偏正光400经光学窗口300照射到水中样品区域40内的样品海藻100上，经样品海藻200散射后的光经检偏器后得到出射偏振光，由偏振探测器接收。

一种实施例，利用本发明提供的海藻识别装置，提供圆偏振光入射，分别对中肋骨条藻、锥状斯氏藻、亚历山大藻三种海藻进行后向偏振散射测量实验，得到这三种海藻的(Q/I,U/I)的分布。可以看出，在该实施例中只用了Stokes向量的一部分I、Q、U(也可以用全部，但这里只要局部就够了)，这三种海藻的(Q/I,U/I)分布是完全独立的，也就是说，虽然这三种藻的特异性参数都是Q/I和U/I，但参数值的分布(相当于参数的判据)却不同，可以通过参数的值来将这三种藻区别开来。例如，要识别某未知海藻是否为中骨肋条藻，则入射偏振态采用圆偏振光，测量的出射偏振态为I、Q、U，计算特异性参数Q/I和U/I的值，参考图3，判断Q/I的值是否位于-0.35～-0.45之间(大约)，以及判断U/I的值是否位于0.48～0.55之间，若都满足，则说明该未知海藻即为中骨肋条藻，若其中一条不满足或都不满足，则该未知海藻非中骨肋条藻。

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，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于后向偏振散射的海藻识别方法，其特征在于：包括

建立目标海藻的数据库，所述数据库中各目标海藻的数据包括：专有名称或代号、特异性参数及其判据、入射偏振态以及需要测量的出射偏振态；其中，所述特异性参数及其判据反映不同目标海藻的不同偏振性质；

当需要判断一未知海藻是否为数据库中的目标海藻A时，执行以下操作A1至A3：

A1、根据所述数据库，基于目标海藻A对应的入射偏振态产生入射偏振光，并投射于所述未知海藻；

A2、获取经所述未知海藻散射后的出射偏振光，并测量目标海藻A对应的所述需要测量的出射偏振态；

A3、根据测量得到的出射偏振态计算对应于目标海藻A的特异性参数，并判断计算出的特异性参数的值是否满足数据库中存储的目标海藻A的特异性参数的判据，若满足，则所述未知海藻为目标海藻A；若不满足，则所述未知海藻非目标海藻A；

获取目标海藻的特异性参数具体包括：针对一待定目标海藻，选取多种对照海藻；并分别测量该待定目标海藻和对应的多种对照海藻的穆勒矩阵；将该待定目标海藻的穆勒矩阵分别与多种对照海藻的穆勒矩阵进行比对，从中选取使得待定目标海藻与多种对照海藻形成区分的穆勒矩阵阵元和/或阵元的组合，作为所述特异性参数。

2.如权利要求1所述的海藻识别方法，其特征在于：测量待定目标海藻和对应的多种对照海藻的穆勒矩阵具体包括：

对所述待定目标海藻和多种对照海藻，分别各自执行以下操作B1至B3：

B1、给予相同的入射偏振光照射，经海藻散射后，收集检测海藻散射出的偏振光，并对出射偏振光进行光信号检测，得到各自的出射偏振态；

B2、多次改变入射偏振态，以多次执行B1，得到各自的多个出射偏振态；

B3、基于S_out＝M*S_in，计算各自的穆勒矩阵；其中，S_out为表示出射偏振态的Stokes向量，S_in为表示入射偏振态的Stokes向量，M为4×4的穆勒矩阵；

其中，对每一海藻而言，至少需要16种不同的入射偏振态来计算得到穆勒矩阵的全部阵元。

3.如权利要求1所述的海藻识别方法，其特征在于：各目标海藻对应的入射偏振态以及需要测量的出射偏振态是基于S_out＝M*S_in，根据所述特异性参数来确定；其中，S_out为表示出射偏振态的Stokes向量，S_in为表示入射偏振态的Stokes向量，M为4×4的穆勒矩阵。

4.如权利要求1所述的海藻识别方法，其特征在于：光源经由起偏器形成所述入射偏振光；通过检偏器得到经由海藻散射后的出射偏振光；通过偏振探测器接收探测所述出射偏振光的光强。

5.一种应用于权利要求1至4任一项所述海藻识别方法的装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的入射光源、起偏器、检偏器和偏振探测器，所述起偏器和检偏器之间为样品区域；其中，入射光源经由起偏器形成一种或多种入射偏振光，以投射到位于所述样品区域内的海藻上，经由海藻散射后的光信号经过检偏器，形成出射偏振光并由偏振探测器接收。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：还包括设置于起偏器和样品区域之间光路上的用于使入射偏振光变窄的通光孔。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：还包括设置于检偏器和样品区域之间光路上的针孔和透镜组合，所述针孔和透镜组合用于改变偏振探测器接收到的物象或探测区域大小。