專利名稱：水中懸沙圖像儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海洋測(cè)量?jī)x器，特別是涉及一種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量海水中懸沙顆粒分布和海水懸沙濃度的儀器。
背景技術(shù)：
海水中懸沙顆粒的實(shí)時(shí)測(cè)量為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海岸工程建設(shè)、航道疏浚、泥沙運(yùn)移研究等提供重要的環(huán)境條件。海水水質(zhì)狀況以及水中構(gòu)筑物如海上平臺(tái)、港工建筑、水底管線等的可靠性和使用壽命，無(wú)不與水中懸沙狀況有關(guān)。因此，實(shí)時(shí)測(cè)量海水中懸沙的分布和濃度，研究其特點(diǎn)和規(guī)律，對(duì)于海洋環(huán)境保護(hù)、海洋工程開發(fā)等具有十分重要的意義。
目前，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量水中懸沙顆粒的儀器主要是通過(guò)測(cè)量激光照射下懸沙顆粒的散射光以計(jì)算懸沙顆粒的大小和分布。圖1和圖2顯示現(xiàn)有技術(shù)的兩種測(cè)量水中懸沙顆粒儀器的測(cè)量原理。
圖1為中國(guó)專利“現(xiàn)場(chǎng)懸浮沙粒徑譜測(cè)量?jī)x”(專利號(hào)ZL 01 271006.7)的測(cè)量原理圖。
圖1所示的現(xiàn)場(chǎng)懸浮沙粒徑譜測(cè)量?jī)x由水下機(jī)和水上計(jì)算機(jī)所組成。水下機(jī)為圓柱形結(jié)構(gòu)，由與端蓋連在一起的機(jī)芯插入上部敞口的圓柱機(jī)殼套筒內(nèi)構(gòu)成。機(jī)芯由測(cè)量窗體、半導(dǎo)體激光器、CCD相機(jī)和控制電路組成，控制電路可定時(shí)自動(dòng)控制激光器和CCD相機(jī)快門。水下機(jī)通過(guò)帶有水密插頭的數(shù)字信號(hào)連接線與水上計(jì)算機(jī)連接。
現(xiàn)場(chǎng)懸浮沙粒徑譜測(cè)量?jī)x吊放在海水中使用，如圖1所示，當(dāng)相機(jī)快門打開時(shí)，半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的線光束3，照亮測(cè)量窗體內(nèi)一薄層海水，海水中的懸沙顆粒被激光照亮，變成其大小與實(shí)際懸沙顆粒的大小相關(guān)的紅色散斑4，CCD相機(jī)2接收被激光照亮的、含有懸沙顆粒的海水薄層散射光，并拍攝散斑圖，再通過(guò)帶有水密插頭的連接線傳送給水上計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)圖像處理得到現(xiàn)場(chǎng)海水中的懸沙粒徑譜。儀器設(shè)定為每三個(gè)小時(shí)拍攝一幅數(shù)字圖片，當(dāng)需要加密拍攝時(shí)，可通過(guò)水密插座，送入一個(gè)TTL觸發(fā)脈沖，即可加密一次。水密插座具有六芯，兩芯接加密控制線，另外四芯用于讀取數(shù)字圖片。
上述現(xiàn)場(chǎng)懸浮沙粒徑譜測(cè)量?jī)x存在以下缺點(diǎn)
(1)散斑的大小與實(shí)際懸沙顆粒大小之間存在復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算繁瑣，誤差大；(2)對(duì)于高濃度的懸浮沙，散斑圖變成一片紅，顆粒不能分辨，因此，不能用于高濃度懸沙的測(cè)量。
圖2為美國(guó)SEQUOIA公司的LISST-100型激光粒度儀的測(cè)量原理圖，激光粒度儀所采用的原理是測(cè)量顆粒散射光的光強(qiáng)分布和利用弗朗和費(fèi)衍射理論計(jì)算顆粒的方法。
如圖2所示，當(dāng)分散在海水中的懸沙顆粒7受到激光器5發(fā)出的激光照射后產(chǎn)生光衍射現(xiàn)象，通過(guò)富氏透鏡8后的衍射光9，在焦平面上形成“靶芯”狀的衍射光環(huán)，衍射光環(huán)的半徑與懸沙顆粒7的大小有關(guān)，衍射光環(huán)的光強(qiáng)度與相關(guān)粒徑顆粒的多少有關(guān)，放置在焦平面上的環(huán)型光電接受器陣列10接收激光對(duì)不同粒徑顆粒的衍射信號(hào)。將光電接受器陣列10上接收到的信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，再用弗朗和費(fèi)衍射理論對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，就可以得到懸沙的粒徑分布，同時(shí)由光電池11測(cè)量透過(guò)光電接受器陣列10中心的光強(qiáng)度以確定海水懸沙濃度。
上述激光粒度儀所采用的懸沙顆粒測(cè)量方法，只能測(cè)量海水懸沙濃度滿足不相關(guān)散射條件的水中懸沙顆粒，不能測(cè)量高濃度懸沙海水中的懸沙顆粒。
表1 懸沙顆粒直徑和數(shù)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系(不相關(guān)散射條件)

從表1可以看出滿足不相關(guān)散射條件的每立方厘米海水中直徑為10μm的顆粒數(shù)不能超過(guò)107個(gè)，否則就測(cè)不出正確結(jié)果。而有的近岸海水懸沙顆粒含量達(dá)不到不相關(guān)散射條件，如長(zhǎng)江口、黃河口等的海水中直徑為10μm的懸沙顆粒數(shù)量可以超出其2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，上述激光粒度儀不能用于測(cè)量高濃度懸沙海水中的懸沙顆粒。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)已有技術(shù)測(cè)量激光照射下懸沙顆粒散射光所存在的問(wèn)題，推出水中懸沙圖像儀，其目的是通過(guò)采用水中薄層取樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下顯微成像，完成水中懸沙濃度和粒徑分布的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。
本發(fā)明所涉及的水中懸沙圖像儀由水下機(jī)和水上計(jì)算機(jī)兩部分組成。水下機(jī)呈圓柱型結(jié)構(gòu)，包括上敞口的圓柱機(jī)殼套筒、密封機(jī)殼套筒上敞口的端蓋、固定在端蓋下方并插入圓柱機(jī)殼套筒內(nèi)的機(jī)芯以及固定在端蓋上方的采樣機(jī)構(gòu)。
插入圓柱機(jī)殼套筒內(nèi)的機(jī)芯包括有顯微鏡、CCD相機(jī)、控制電路板、電池盒和支撐架。顯微鏡與CCD相機(jī)連接在一起，顯微鏡的前端固定在端蓋上，對(duì)應(yīng)顯微鏡前端的端蓋外側(cè)設(shè)置采樣機(jī)構(gòu)。CCD相機(jī)的下端固定在支撐架的底部，顯微鏡和CCD相機(jī)的旁邊設(shè)置控制電路板和電池盒，控制電路板和電池盒設(shè)置在固定連接端蓋的支撐架上。
固定機(jī)芯的端蓋上設(shè)置六芯水密插座，插座與機(jī)芯的電路板連接。水下機(jī)的CCD相機(jī)通過(guò)帶有水密插頭的數(shù)字信號(hào)連接線與水上計(jì)算機(jī)連接。
采樣機(jī)構(gòu)設(shè)置在端蓋外部，包括相對(duì)設(shè)置的定片和動(dòng)片、LED光源以及直線電機(jī)。定片為水密安裝在端蓋上的透明玻璃片，定片的內(nèi)側(cè)為顯微鏡的物鏡。定片外側(cè)設(shè)置的動(dòng)片是與定片大小相同并帶有刻度的透明玻璃片。動(dòng)片連接直線電機(jī)的聯(lián)桿，直線電機(jī)固定在端蓋上。動(dòng)片與定片之間有很小的間隙，由直線電機(jī)帶動(dòng)的動(dòng)片可以在定片上往復(fù)滑動(dòng)。動(dòng)片的外側(cè)設(shè)置LED光源，LED光源發(fā)光管置于固定安裝在端蓋上的圓形水密殼體內(nèi)。LED光源、定片、顯微鏡、CCD相機(jī)共軸。
水中懸沙圖像儀吊放水中使用，利用該圖像儀的水中懸沙顆?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法包括通過(guò)動(dòng)片在定片上往復(fù)滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)片與定片之間水中薄層海水取樣，顯微鏡接收并放大動(dòng)片與定片之間在LED光源照射下含有懸沙顆粒的薄層海水圖像，CCD相機(jī)將顯微鏡接收的動(dòng)片與定片之間含有懸沙顆粒的薄層海水的圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像傳送給水上計(jì)算機(jī)并進(jìn)行處理得到懸沙顆粒粒徑譜和海水懸沙濃度。
控制電路可定時(shí)自動(dòng)控制LED光源、直線電機(jī)和CCD相機(jī)快門的開啟。當(dāng)動(dòng)片在電機(jī)的帶動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次時(shí)，LED光源發(fā)光一次，照亮動(dòng)片與定片之間小間隙中形成的薄層海水，CCD相機(jī)拍攝下顯微鏡接收的動(dòng)片與定片之間含有懸沙顆粒的薄層海水的一幅數(shù)字圖像，再通過(guò)帶有水密插頭的連接線傳送給水上計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)圖像處理得到現(xiàn)場(chǎng)水中的懸沙顆粒粒徑譜和海水懸沙濃度。
儀器設(shè)定為每三個(gè)小時(shí)拍攝一幅數(shù)字圖片，當(dāng)需要加密拍攝時(shí)，可通過(guò)水密插座，送入一個(gè)TTL觸發(fā)脈沖，即可加密一次。六芯水密插座，兩芯接加密控制線，另外四芯用于讀取數(shù)字圖片。
本發(fā)明所涉及的水中懸沙圖像儀通過(guò)水中薄層海水的取樣和自動(dòng)顯微成像，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)海水懸沙顆粒的顯微成像，并由CCD相機(jī)將接收到的水中懸沙顆粒放大圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，由計(jì)算機(jī)分析數(shù)字圖像獲得海水中懸沙顆粒的種類、大小、分布以及海水懸沙濃度，濃度測(cè)量范圍較之現(xiàn)有技術(shù)提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，測(cè)量精確度可達(dá)±5％，可以為海洋環(huán)境保護(hù)、海洋工程開發(fā)提供更準(zhǔn)確的海水懸沙資料。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的“現(xiàn)場(chǎng)懸浮沙粒徑譜測(cè)量?jī)x”的測(cè)量原理圖。
圖2為現(xiàn)有技術(shù)的“LISST-100型激光粒度儀”的測(cè)量原理圖。
圖3為本發(fā)明的水中懸沙圖像儀原理圖。
圖4為本發(fā)明的水中懸沙圖像儀機(jī)芯結(jié)構(gòu)圖。
圖5為本發(fā)明的水中懸沙圖像儀機(jī)殼套筒。
附圖中標(biāo)記說(shuō)明1、半導(dǎo)體激光器， 2、CCD相機(jī)，3、激光光束， 4、懸沙散斑，5、激光器， 6、擴(kuò)束鏡，7、懸沙顆粒， 8、富式透鏡，9、衍射光， 10、光電接受器陣列，11、光電池，12、LED光源，13、光束， 14、動(dòng)片，15、薄層海水， 16、定片，17、顯微鏡，18、CCD相機(jī)，19、端蓋， 20、直線電機(jī)21、水密插座， 22、信號(hào)連接線，23、電池盒，24、電路板，25、支撐架，26、上敞口，27、套筒。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
予以描述。圖3顯示本發(fā)明的水中懸沙圖像儀測(cè)量原理。圖4和圖5顯示本發(fā)明的水中懸沙圖像儀水下機(jī)結(jié)構(gòu)。
如圖所示，水中懸沙圖像儀的水下機(jī)呈圓柱型結(jié)構(gòu)。插入圓柱機(jī)殼套筒27內(nèi)的機(jī)芯固定在端蓋19的下方，包括有顯微鏡17、CCD相機(jī)18、控制電路板24、電池盒23和支撐架25。顯微鏡17的前端固定在端蓋19上，另一端與CCD相機(jī)18連接在一起。對(duì)應(yīng)顯微鏡17前端的端蓋18的外側(cè)設(shè)置采樣機(jī)構(gòu)，CCD相機(jī)18的下端固定在支撐架25的底部，顯微鏡17和CCD相機(jī)18的旁邊設(shè)置控制電路板24和電池盒23，控制電路板24和電池盒23設(shè)置在固定連接端蓋19的支撐架25上。CCD相機(jī)18通過(guò)數(shù)字信號(hào)連接線22與固定在端蓋19上的水密插座21連接。
采樣機(jī)構(gòu)設(shè)置在端蓋19外部，包括相對(duì)設(shè)置的定片16和動(dòng)片14、LED光源12以及直線電機(jī)20。定片16為水密安裝在端蓋19上的透明玻璃片，定片16的內(nèi)側(cè)為顯微鏡17的物鏡。定片16的外側(cè)設(shè)置動(dòng)片14。動(dòng)片14連接直線電機(jī)20的聯(lián)桿，直線電機(jī)20固定在端蓋19上。動(dòng)片14與定片16之間有很小的間隙，動(dòng)片14的外側(cè)設(shè)置LED光源12，LED光源12置于固定安裝在端蓋19上的圓形水密殼體內(nèi)。LED光源12、定片16、顯微鏡17、CCD相機(jī)18共軸。
權(quán)利要求
1.一種水中懸沙圖像儀，由水下機(jī)和水上計(jì)算機(jī)組成，水下機(jī)呈圓柱型結(jié)構(gòu)，包括上敞口的圓柱機(jī)殼套筒、密封機(jī)殼套筒上敞口的端蓋和固定在端蓋下方并插入圓柱機(jī)殼套筒內(nèi)的機(jī)芯，其特征在于插入圓柱機(jī)殼套筒內(nèi)的機(jī)芯包括有顯微鏡(17)、CCD相機(jī)(18)、控制電路板(24)、電池盒(23)和支撐架(25)，顯微鏡(17)與CCD相機(jī)(18)連接在一起，顯微鏡(17)的前端固定在端蓋(19)上，對(duì)應(yīng)顯微鏡(17)前端的端蓋(19)外側(cè)設(shè)置采樣機(jī)構(gòu)，CCD相機(jī)(18)的下端固定在支撐架(25)的底部，顯微鏡(17)和CCD相機(jī)(18)的旁邊設(shè)置控制電路板(24)和電池盒(23)，控制電路板(24)和電池盒(23)設(shè)置在固定連接端蓋(19)的支撐架(25)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中懸沙圖像儀，其特征在于設(shè)置在端蓋外側(cè)的采樣機(jī)構(gòu)包括相對(duì)設(shè)置的定片(16)和動(dòng)片(14)、LED光源(12)以及直線電機(jī)(20)，定片(16)為水密安裝在端蓋(19)上的透明玻璃片，動(dòng)片(14)是與定片(16)大小相同并帶有刻度的透明玻璃片，動(dòng)片(14)連接直線電機(jī)(20)的聯(lián)桿，直線電機(jī)(20)固定在端蓋(19)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中懸沙圖像儀，其特征在于CCD相機(jī)(18)通過(guò)數(shù)字信號(hào)連接線(22)與固定在端蓋(19)上的水密插座(21)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水中懸沙圖像儀，其特征在于LED光源(12)、定片(16)、顯微鏡(17)、CCD相機(jī)(18)共軸。
5.利用權(quán)利要求1所述的水中懸沙圖像儀的水中懸沙顆?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法，其特征在于包括通過(guò)動(dòng)片在定片上往復(fù)滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)片與定片之間水中薄層海水取樣，顯微鏡接收并放大動(dòng)片與定片之間在LED光源照射下含有懸沙顆粒的薄層水圖像，CCD相機(jī)將顯微鏡接收的動(dòng)片與定片之間含有懸沙顆粒的薄層水的圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像傳送給水上計(jì)算機(jī)并處理得到懸沙顆粒粒徑譜和濃度。
全文摘要
本發(fā)明所涉及的水中懸沙圖像儀通過(guò)采用水中薄層取樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下顯微成像，完成水中懸沙顆粒粒徑分布和懸沙濃度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。水中懸沙圖像儀由水下機(jī)和水上計(jì)算機(jī)組成。插入圓柱機(jī)殼套筒內(nèi)的水下機(jī)芯包括有顯微鏡、CCD相機(jī)、控制電路板。采樣機(jī)構(gòu)設(shè)置在端蓋外部，包括相對(duì)設(shè)置的定片和動(dòng)片、LED光源以及直線電機(jī)。CCD相機(jī)拍攝下顯微鏡接收的動(dòng)片與定片之間含有懸沙顆粒的薄層水?dāng)?shù)字圖像，再通過(guò)帶有水密插頭的連接線傳送給水上計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)圖像處理得到海水中的顆粒粒徑譜和懸沙濃度，濃度測(cè)量范圍較之現(xiàn)有技術(shù)提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，測(cè)量精確度可達(dá)±5％，可以為海洋環(huán)境保護(hù)、海洋工程開發(fā)提供更準(zhǔn)確的海水懸沙資料。
文檔編號(hào)G01N15/02GK1645097SQ20051001310
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2005年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月17日
發(fā)明者于連生, 宋家駒, 唐宏寰 申請(qǐng)人:國(guó)家海洋技術(shù)中心