CN108562762B - 一种基于双线阵的海洋飞沫测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双线阵的海洋飞沫测量装置，所述装置包括光学***、双线光电二极管阵列、光电信号采集处理电路和数据处理及显示模块；所述光学***用于输出一准直、光强分布均匀的激光光束，直接照射于双线光电二极管阵列上；并用于对捕捉的海洋飞沫进行成像；所述双线光电二极管阵列为在一块光电传感元件上封装平行设置的两列规格和性能完全一致的光电二极管阵列单元；所述光电信号采集处理电路对接收到的双线光电二极管阵列输出的计时脉冲信号进行处理，计算出海洋飞沫的速度，并实时更新海洋飞沫粒子图像的采样率，对海洋飞沫在光电二极管阵列上的成像进行采集和处理，然后将处理后的数据上传至数据处理及显示模块。
Description
技术领域
本发明涉及粒子测量领域，具体涉及一种基于双线阵的海洋飞沫测量装置及方法。
背景技术
海洋飞沫是指海面附近空气中存在的各种大小不同的海水滴，它是在风和浪的共同作用下产生的。飞散到空中的海洋飞沫在重力和湍流的共同作用下，较大的海水滴会在短时间内重新落回海面，但在此过程中，大水滴蒸发过程可以通过热量和动量交换对海—气界面过程产生影响；较小的海水滴在大气湍流作用下，可上升到高空而长时间悬浮于大气中，又称之为海洋气溶胶。海洋气溶胶占据全球气溶胶的44％，作为云凝结核，可对海洋层积云的微物理和化学性质有非常大的影响，是气候预测最大的不确定因素之一。因此对海洋飞沫的粒径和飞越速度的测量有助于理解海洋飞沫在海-气相互作用过程中的作用及其对气候的影响。
早期的海洋飞沫观测方法主要是利用试剂纸对海浪破碎产生的海水滴进行观测，但这需要大量的人工作业，效率比较低且仅能对大的海水滴进行测量。近些年来，基于光学的海洋飞沫测量得到了广泛的应用。基于光学的海洋飞沫测量具体可分为基于光学散射的测量技术和基于光学成像的测量技术。基于光学散射的测量技术可以测量粒子的大小，但是无法获取粒子的具体形状和速度信息，而且测量的粒径范围有限。光学成像的测量技术不仅能够测量粒子的大小，还能够记录粒子的影像，根据粒子的影像就可以获取粒子的形状信息，但现有的光学成像技术无法获取海洋飞沫的速度信息。本发明通过利用双线阵的成像测量技术，实现了海洋飞沫的粒径和速度信息的准确测量，填补了目前海洋飞沫测量领域的空白。
发明内容
本发明的目的在于克服目前的光学成像测量技术在海洋飞沫测量上存在的缺陷，设计了一种基于双线阵的海洋飞沫测量装置，该装置不仅可以对海洋飞沫进行成像和粒径测量，而且采用两组光电二极管阵列，能够有效测量海洋飞沫的速度。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于双线阵的海洋飞沫测量装置，所述装置包括：光学***、双线光电二极管阵列、光电信号采集处理电路和数据处理及显示模块；
所述光学***，用于输出一准直、光强分布均匀的激光光束，直接照射于双线光电二极管阵列上；并用于对双线光电二极管阵列捕捉的海洋飞沫进行成像；
所述双线光电二极管阵列为在一块光电传感元件上封装平行设置的两列规格和性能完全一致的光电二极管阵列单元；当有海洋飞沫经过时，输出通过两个光电二极管阵列单元的计时脉冲信号到光电信号采集处理电路进行处理；
所述光电信号采集处理电路对接收到的双线光电二极管阵列输出的计时脉冲信号进行处理，计算出海洋飞沫的速度，并实时更新海洋飞沫粒子图像的采样率，对海洋飞沫在光电二极管阵列上的成像进行采集和处理，然后将处理后的数据上传至数据处理及显示模块。
作为上述装置的一种改进，所述光学***包括：光源、激光光束整形模块和成像光学模块；
所述光源是一个半导体激光器，输出一光强分布均匀的圆形激光束；
所述激光光束整形模块为一个透镜，用于将光源输出的激光光束准直为一平行的激光束；
所述成像光学模块，用于通过配置不同参数的透镜，实现对粒子不同分辨率的成像。
作为上述装置的一种改进，所述成像光学模块采用凸透镜和凹透镜组合的形式，图像和粒子大小的比例为1:1。
作为上述装置的一种改进，所述成像光学模块采用双凸透镜的组合形式，第一个凸透镜实现等比例放大，第二个凸透镜实现4倍放大倍率。
作为上述装置的一种改进，所述双线光电二极管阵列包括第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元；所述第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元的距离s固定，s的取值范围为1mm～10mm；每个光电二极管阵列单元由N个光电二极管组成，其中，32≤N≤512；所述光电二极管的受光面为正方形，其边长尺寸范围为25μm～200μm。
作为上述装置的一种改进，所述光电信号采集处理电路包括：前端信号调理电路和FPGA控制电路；
所述前端信号调理电路，用于对双线光电二极管阵列生成的微弱瞬变信号进行快速响应处理，提供给后端的FPGA控制电路一个二值信号；
所述FPGA控制电路包括FPGA芯片，用于对双线光电二极管阵列第一次出现海洋飞沫时计算出海洋飞沫的速度，并根据速度更新采样率，对粒子图像进行采集并将采集到的海洋飞沫图像数据进行压缩存储，当存满一帧后采集三路监测电压值，连同压缩的图像数据通过网络上传至数据处理及显示模块。
作为上述装置的一种改进，所述前端信号调理电路包括：互阻放大电路U1、后级信号放大电路U2、分压射随电路U3和比较电路U4；
所述互阻放大电路U1，用于将双线光电二极管阵列输出的电流信号转换为电压信号；
所述后级信号放大电路U2，用于将互阻放大电路U1的输出的电压信号进行放大；
所述分压射随电路U3，用于为比较电路U4提供一个进行比较的阈值参考电平；
所述比较电路U4，用于对输入信号与电压阈值参考电平进行比较,其输出电压只有两种：高电平或者低电平，如果用1表示高电平,用0表示低电平，则比较电路U4的输出正好和粒子是否出现遮挡的状态对应起来。
本发明还提供了一种基于上述的测量装置实现的海洋飞沫测量方法，所述方法包括：
步骤1)当有海洋飞沫经过所述光源输出的激光束时，先经过第一光电二极管阵列单元时，该单元会输出一个脉冲指示信号给FPGA芯片，此时FPGA芯片会记录下接收到该脉冲的时间t1；当海洋飞沫继续飞行，到达第二光电二极管阵列单元时，该单元同样会输出一个脉冲指示信号给FPGA芯片，FPGA芯片会将该时刻记为时间t2；经计算后能够获取海洋飞沫的速度：
步骤2)所述装置根据该速度计算海洋飞沫图像的采样频率；并更新FPGA芯片的采样率，对海洋飞沫图像进行采集，并对采集后的信号采用游程编码压缩算法对海洋飞沫图像数据进行压缩；
步骤3)将压缩后的海洋飞沫图像数据进行打包，然后通过网络将海洋飞沫图像数据传送到所述数据处理及显示模块；
步骤4)所述数据处理及显示模块会对上传的数据进行统计处理、显示和存储。
作为上述方法的一种改进，所述步骤2)的根据该速度计算海洋飞沫图像的采样频率f的公式为：
f＝v/Res
其中，Res是光学***的分辨率。
本发明的优势在于：
1、本发明的测量装置通过在单个感光元件上集成两组的光电二极管阵列，大大减小两组光电二极管阵列的距离，可在对海洋飞沫的大小和形状进行成像测量的同时，还可对海洋飞沫的飞行速度进行准确地测量。
2、本发明的测量装置通过计算得到的海洋飞沫的速度，计算出FPGA芯片采集图像的最优采用率并进行更新，能够使海洋飞沫图像更加准确清晰。
附图说明
图1为本发明的测量装置的原理图；
图2为本发明装置的测速示意图；
图3为本发明的测量装置的示意图；
图4为本发明的光学***的示意图；
图5为本发明的成像光学模块的等比例的光学透镜组的示意图；
图6为本发明的成像光学模块的放大4倍的光学透镜组的示意图；
图7为本发明的前端信号调理电路的示意图；
图8为本发明的FPGA控制电路的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细地说明。
本发明的基于双线阵的海洋飞沫测量装置的测量原理为：利用一束准直、光强分布较为均匀的激光经光学成像***后直接照射于具有两列光电二极管阵列的感光元件上，两列光电二极管阵列平行分布，距离固定。当有粒子经过激光光束区时会挡住激光光束并经光学***成像于具有两列光电二极管阵列的感光元件上，以一定的频率对两列光电二极管阵列同时进行扫描，将扫描后的信号利用后续的电路进行处理后，选择任一光阵信号进行组合便可获取完整的海洋飞沫图像，如图1所示。此外，海洋飞沫经过两个光电二极管阵列时具有一定的时间差，而两个光电二极管阵列的距离是固定的，如图2所示，因此通过测量这一时间差就可以获取海洋飞沫穿过仪器采样区的速度，如式(1)所示：
如图3所示，一种基于双线阵的海洋飞沫测量装置，所述装置包括光学***、双线光电二极管阵列、光电信号采集处理电路和数据处理及显示模块。
如图4所示，所述光学***包括：光源、激光光束整形模块和成像光学模块；所述光源是一个波长为660nm的半导体激光器，经过光学整形后，该激光器输出一准直、光强分布均匀的圆形激光束，该光束经成像光学模块直接照射于双线光电二极管阵列上。
其中，所述光源是一个波长为660nm的半导体激光器，输出一准直、光强分布均匀的圆形激光束；所述激光光束整形模块为一个透镜，用于将半导体激光器的激光光束准直为一平行的激光束；所述光学成像模块采用开普勒望远镜的光学成像原理,在从激光器输出到探测器元件接收面的光路上通过选取适当参数的凸透镜，使得以采样区中心，即两探测臂中间点为物面，在其上的物体都能够清晰地在以探测器接收面为像面的平面上成像，而且成像无失真。在整个光程固定的情况下，通过配置不同参数的透镜，可以实现对物体不同分辨率的成像。实际应用中，可以选择两套不同参数的透镜组合，分别实现了对粒子的等比例成像和4倍放大成像。根据海洋飞沫图像能够获取到海洋飞沫的大小，形状等参数。
如图5所示，所述成像光学模块采用凸透镜和凹透镜组合的形式，凸透镜实现了缩小，凹透镜实现了放大，最后图像和粒子大小的比例为1:1。
如图6所示，所述成像光学模块采用双凸透镜的组合方案，第一个凸透镜实现等比例放大，第二个凸透镜实现4倍放大倍率。
所述光电信号采集处理电路包括：前端信号调理电路和FPGA控制电路；所述双线光电二极管阵列输出一与激光光强成比例的电流信号，该电流信号经过前端信号调理电路后会转换为可直接由FPGA控制电路采集的二值信号，该二值信号经FPGA控制电路处理后会以一定的数据格式进行压缩，通过千兆以太网口，压缩后的数据会被上传至数据处理及显示模块进行处理、显示和存储。所述数据处理及显示模块在上位机上运行。
所述前端信号调理电路主要是对光电二极管阵列所生成的微弱瞬变信号进行快速响应处理，并提供给后端的FPGA控制电路一个二值信号。
如图7所示，所述前端信号调理电路包括：互阻放大电路U1、后级信号放大电路U2、分压射随电路U3和比较电路U4。
其中，所述互阻放大电路U1用于将光电二极管输出的电流信号转换为电压信号；所述后级信号放大电路U2用于将互阻放大电路U1的输出的电压信号进行放大，以符合后续处理需要；所述分压射随电路U3用于为比较电路U4提供一个进行比较的阈值参考电平；所述比较电路U4用于对输入信号电压进行比较,其输出电压只有两种可能状态,高电平或者低电平，如果用1表示高电平,用0表示低电平，则比较电路U4的输出正好和粒子是否出现遮挡的状态对应起来。本实施例中，当激光直照时,双线光电二极管阵列接收到的光强产生的电压值的一半作为该传感器支路单元比较电路的阈值电压,即以双线光电二极管阵列接收到的激光光强被减弱一半以上时表示粒子出现事件。
所述FPGA控制电路选用FPGA芯片EP2C35F672C6N作为整个电路的核心单元，并完成海洋飞沫速度和海洋飞沫图像数据压缩编码等高速运算。整个FPGA控制电路框图如图8所示。配置模块PROM EPCS16存储***的配置信息，ADC芯片TLC549用于读入仪器的工作状态，两个线阵各64bits信息经排阻电平转换后依次输入FPGA芯片，由FPGA芯片进行采集。当有粒子出现时，所述装置会对双线光电二极管阵列第一次出现粒子时刻做运算计算出粒子的落速，并更新采样率对粒子图像进行采集，并将采集到的粒子图像数据进行压缩存储，当存满一帧后会采集三路监测电压值，连同图像数据以网络传输方式往上位机传输。
所述双线光电二极管阵列为在一块光电传感元件上封装出两列规格和性能完全一致的光电二极管阵列单元，包括第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元；两个光电二极管阵列单元的距离s固定，s的取值范围为1mm～10mm，所述光电二极管阵列单元由N个光电二极管组成；其中，32≤N≤512。所述光电二极管的受光面为正方形，其边长尺寸范围为25μm～200μm；当成像光学模块的放大倍数为1时，仪器的分辨率Res即为100μm，此时仪器的测量范围是100～6400μm；当成像光学模块的放大倍数为4时，仪器的分辨率Res为25μm，仪器的测量粒子大小范围为25～1600μm。当粒子由上而下穿过第一光电二极管阵列单元时，该阵列因光强降低会输出一个脉冲信号给FPGA芯片，FPGA芯片会将该时刻记为时间t1；当粒子继续下落，到达第二光电二极管阵列单元时，该阵列同样会输出一个脉冲指示信号给FPGA芯片，FPGA芯片会将该时刻记为时间t2。
基于双线光电二极管阵列的海洋飞沫及其速度测量主要是利用一准直,光强分布比较均匀的激光光束直接照射到传感器光电二极管阵列上,该激光束光斑经成像光学模块后能完全覆盖住整个光电二极管阵列。在激光束照射下，各传感单元均会产生一个与其自身所接收到的激光光强成正比的电流值。当有海洋飞沫穿过激光光束区时,照射到传感单元上的激光强度由于海洋飞沫遮挡发生了变化，从而使得传感单元产生的电流值发生变化，引起每个单元变化的光能量变化值：
式中：E为无海洋飞沫遮挡时阵列单元输出恒定信号的光能量，a为海洋飞沫的投影面积，A为阵列单元的有效接收面积。由于海洋飞沫对光的遮挡，主要是对光的散射和吸收,即消光引起的。引入消光系数可得：
式(3)中,Ke为颗粒消光系数。根据Mie散射理论,当粒子直径大于2μm左右的时候，式(3)中的消光系数Ke一般取其近似值2。因此当
时，ΔE＝0，这时可以认为该阵列单元被完全遮挡。因此，海洋飞沫出现，光电二极管单元所接收的光能衰减50％以上为阈值。当任一单元出现满足光能衰减阈值情况时，该单元所输出的电流经前端信号调理电路处理后会形成一脉冲信号由FPGA控制电路采集感知。在感知到有粒子经过仪器采样区后，FPGA芯片会以一定频率f对传感器阵列上每个光电二极管的电流进行检测并对检测出的信号进行处理。
对光阵信号进行采样的采样频率f由下式决定：
f＝v/Res (4)
其中，Res是仪器的分辨率。因此对海洋飞沫速度的精准测量决定了仪器的采样频率的准确性，而仪器采样频率是否准确又决定了所测海洋飞沫图像是否准确，进而影响到仪器对海洋飞沫物理参数测量的准确性。由于海洋飞沫的大小不一，测量时大气环境状况也不尽相同，导致每一个海洋飞沫的速度也不尽相同，因此需要对每一个海洋飞沫的速度进行准确测量以确定其合适的采样频率。
所述海洋飞沫速度的测量步骤为：
步骤1)所述测量装置通电后，进入初始化状态；
步骤2)当有海洋飞沫经过装置采样区时，依次会经过两列光电二极管阵列单元；当它先经过第一光电二极管阵列单元时，该单元会输出一个脉冲指示信号给FPGA芯片，此时FPGA芯片会记录下接收到该脉冲的时间t1；当海洋飞沫继续飞行，到达第一光电二极管阵列单元时，该单元同样会输出一个脉冲指示信号给FPGA芯片，FPGA芯片会将该时刻记为时间t2。经计算后能够获取海洋飞沫的速度；根据该速度可以自动调整海洋飞沫图像的采样频率；
步骤3)所述装置调整图像采样频率，对粒子图像进行采集，并对采集后的信号采用游程编码压缩算法对粒子图像数据进行压缩；
步骤4)压缩后的海洋飞沫图像数据会进行打包，然后通过网线，以UDP的网络传输方式，将海洋飞沫图像数据传送到所述数据处理及显示模块；
步骤5)所述数据处理及显示模块会对上传的数据进行统计处理、显示和存储。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种基于双线阵的海洋飞沫测量装置，其特征在于，所述装置包括光学***、双线光电二极管阵列、光电信号采集处理电路和数据处理及显示模块；
所述光学***，用于输出一准直、光强分布均匀的激光光束，直接照射于双线光电二极管阵列上；并用于对双线光电二极管阵列捕捉的海洋飞沫进行成像；
所述双线光电二极管阵列为在一块光电传感元件上封装平行设置的两列规格和性能完全一致的光电二极管阵列单元；当有海洋飞沫经过时，输出通过两个光电二极管阵列单元的计时脉冲信号到光电信号采集处理电路进行处理；
所述光电信号采集处理电路对接收到的双线光电二极管阵列输出的计时脉冲信号进行处理，计算出海洋飞沫的速度，并实时更新海洋飞沫粒子图像的采样率，对海洋飞沫在光电二极管阵列上的成像进行采集和处理，然后将处理后的数据上传至数据处理及显示模块。
2.根据权利要求1所述的基于双线阵的海洋飞沫测量装置，其特征在于，所述光学***包括：光源、激光光束整形模块和成像光学模块；
所述光源是一个半导体激光器，输出一光强分布均匀的圆形激光束；
所述激光光束整形模块为一个透镜，用于将光源输出的激光光束准直为一平行的激光束；
所述成像光学模块，用于通过配置不同参数的透镜，实现对粒子不同分辨率的成像。
3.根据权利要求2所述的基于双线阵的海洋飞沫测量装置，其特征在于，所述成像光学模块采用凸透镜和凹透镜组合的形式，图像和粒子大小的比例为1:1。
4.根据权利要求2所述的基于双线阵的 海洋飞沫测量装置，其特征在于，所述成像光学模块采用双凸透镜的组合形式，第一个凸透镜实现等比例放大，第二个凸透镜实现4倍放大倍率。
5.根据权利要求1所述的基于双线阵的海洋飞沫测量装置，其特征在于，所述双线光电二极管阵列包括第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元；所述第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元的距离s固定，s的取值范围为1mm～10mm；每个光电二极管阵列单元由N个光电二极管组成，其中，32≤N≤512；所述光电二极管的受光面为正方形，其边长尺寸范围为25μm～200μm。
6.根据权利要求1所述的基于双线阵的海洋飞沫测量装置，其特征在于，所述光电信号采集处理电路包括：前端信号调理电路和FPGA控制电路；
所述前端信号调理电路，用于对双线光电二极管阵列生成的微弱瞬变信号进行快速响应处理，提供给后端的FPGA控制电路一个二值信号；
所述FPGA控制电路包括FPGA芯片，用于对双线光电二极管阵列第一次出现海洋飞沫时计算出海洋飞沫的速度，并根据速度更新采样率，对粒子图像进行采集并将采集到的海洋飞沫图像数据进行压缩存储，当存满一帧后采集三路监测电压值，连同压缩的图像数据通过网络上传至数据处理及显示模块。
7.根据权利要求6所述的基于双线阵的海洋飞沫测量装置，其特征在于，所述前端信号调理电路包括：互阻放大电路U1、后级信号放大电路U2、分压射随电路U3和比较电路U4；
所述互阻放大电路U1，用于将双线光电二极管阵列输出的电流信号转换为电压信号；
所述后级信号放大电路U2，用于将互阻放大电路U1的输出的电压信号进行放大；
所述分压射随电路U3，用于为比较电路U4提供一个进行比较的阈值参考电平；
所述比较电路U4，用于对输入信号与电压阈值参考电平进行比较,其输出电压只有两种：高电平或者低电平，如果用1表示高电平,用0表示低电平，则比较电路U4的输出正好和粒子是否出现遮挡的状态对应起来。
8.一种基于权利要求1-7之一所述的测量装置实现的海洋飞沫测量方法，所述方法包括：
步骤1)当有海洋飞沫经过所述光学***输出的激光束时，先经过第一光电二极管阵列单元时，该单元会输出一个脉冲指示信号给FPGA芯片，此时FPGA芯片会记录下接收到该脉冲的时间t1；当海洋飞沫继续飞行，到达第二光电二极管阵列单元时，该单元同样会输出一个脉冲指示信号给FPGA芯片，FPGA芯片会将该时刻记为时间t2；经计算后能够获取海洋飞沫的速度：
步骤2)所述装置根据该速度计算海洋飞沫图像的采样频率；并更新FPGA芯片的采样率，对海洋飞沫图像进行采集，并对采集后的信号采用游程编码压缩算法对海洋飞沫图像数据进行压缩；
步骤3)将压缩后的海洋飞沫图像数据进行打包，然后通过网络将海洋飞沫图像数据传送到所述数据处理及显示模块；
步骤4)所述数据处理及显示模块会对上传的数据进行统计处理、显示和存储。
9.根据权利要求8所述的海洋飞沫测量方法，其特征在于，所述步骤2)的根据该速度计算海洋飞沫图像的采样频率f的公式为：
f＝v/Res
其中，Res是光学***的分辨率。
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