海洋觀測微顆粒測量儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種海洋觀測微顆粒測量儀，包括密封的腔體，所述腔體上開設(shè)有透明的觀測窗口，所述觀測窗口外設(shè)置有光源，所述腔體中在所述觀測窗口的內(nèi)側(cè)設(shè)置有拍攝裝置，所述拍攝裝置包括相機(jī)、設(shè)置在所述相機(jī)的前端的顯微物鏡以及連接在所述顯微物鏡上的物鏡變焦機(jī)構(gòu)，所述相機(jī)連接到所述腔體中的觀測數(shù)據(jù)處理裝置，所述光源以及所述物鏡變焦機(jī)構(gòu)連接到所述腔體中的控制裝置，所述觀測數(shù)據(jù)處理裝置和所述控制裝置連接到所述腔體的外部線纜接口。本發(fā)明能夠用于深海微顆粒流動(dòng)的精確在線觀測。
【專利說明】海洋觀測微顆粒測量儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及海洋探測技術(shù)，特別是涉及一種海洋觀測微顆粒測量儀。
【背景技術(shù)】
[0002]目前我國海洋洋流尤其是深海洋流探測技術(shù)尚不完善，可選用的海洋觀測儀器很少，且主要應(yīng)用于淺海區(qū)域，使用腔體或水下機(jī)器人進(jìn)行淺海的觀測，數(shù)據(jù)觀測的能力相當(dāng)有限，且數(shù)據(jù)樣本采用現(xiàn)場采樣，返岸對(duì)樣本進(jìn)行分析處理的方式，具有滯后性，無法得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不能反映實(shí)時(shí)的海底動(dòng)力學(xué)信息，難以滿足海洋研究人員對(duì)海洋尤其深海環(huán)境動(dòng)力機(jī)理研究及探測的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種海洋觀測微顆粒測量儀，具有良好的深海微顆粒觀測能力。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0005]一種海洋觀測微顆粒測量儀，包括密封的腔體，所述腔體上開設(shè)有透明的觀測窗口，所述觀測窗口外設(shè)置有光源，所述腔體中在所述觀測窗口的內(nèi)側(cè)設(shè)置有拍攝裝置，所述拍攝裝置包括相機(jī)、設(shè)置在所述相機(jī)的前端的顯微物鏡以及連接在所述顯微物鏡上的物鏡變焦機(jī)構(gòu)，所述相機(jī)的輸出端連接到所述腔體中的觀測數(shù)據(jù)處理裝置，所述光源以及所述物鏡變焦機(jī)構(gòu)連接到所述腔體中的控制裝置，所述觀測數(shù)據(jù)處理裝置和所述控制裝置連接到所述腔體的外部線纜接口。
[0006]進(jìn)一步地，所述腔體包括觀測倉和控制倉，所述拍攝裝置安裝在所述觀測倉內(nèi)，所述觀測數(shù)據(jù)處理裝置和所述控制裝置安裝在所述控制倉內(nèi)，所述觀測倉和所述控制倉之間以隔熱板隔離。
[0007]進(jìn)一步地，所述腔體包括貫通的圓柱形外殼、密封覆蓋在所述外殼前端和后端的腔體前蓋及腔體后蓋，所述觀測窗口設(shè)置在所述腔體前蓋上。
[0008]進(jìn)一步地，所述腔體內(nèi)安裝有與所述腔體前蓋平行設(shè)置的支撐板，所述相機(jī)和所述顯微物鏡通過相機(jī)和物鏡支架固定，所述相機(jī)和物鏡支架一端安裝在所述腔體前蓋上，另一端安裝在所述支撐板上。
[0009]進(jìn)一步地，所述隔板為隔熱板，所述隔熱板將所述腔體分隔為觀測倉和控制倉，所述拍攝裝置安裝在所述觀測倉內(nèi)，所述觀測數(shù)據(jù)處理裝置和所述控制裝置安裝在所述控制倉內(nèi)。
[0010]進(jìn)一步地，所述光源包括LED燈和激光燈，其中所述LED燈的光照強(qiáng)度高于所述激光燈的光照強(qiáng)度。
[0011]進(jìn)一步地，所述觀測窗口的外側(cè)設(shè)置有清潔刷，所述腔體的側(cè)邊設(shè)置有電機(jī)，所述清潔刷與所述電機(jī)的驅(qū)動(dòng)端相耦合，所述電機(jī)的控制端連接到所述控制裝置，所述清潔刷的清潔范圍覆蓋所述觀測窗口和所述光源。[0012]進(jìn)一步地，所述觀測窗口為藍(lán)寶石玻璃窗口。
[0013]所述外殼為鈦合金外殼。
[0014]一種使用所述海洋觀測微顆粒測量儀的微顆粒追蹤測速方法，包括以下步驟:
[0015]通過所述海洋觀測微顆粒測量儀的拍攝裝置顯微放大并拍攝顆粒物圖像，并將所拍攝的圖像傳送到所述海洋觀測微顆粒測量儀的觀測數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行處理，處理過程包括:
[0016]連續(xù)兩幀圖像進(jìn)行圖像處理增強(qiáng)，二值化顆粒物圖像；
[0017]掃描確定顆粒物的中心點(diǎn)，以中心點(diǎn)代表相應(yīng)顆粒物；
[0018]采用匹配相關(guān)算法對(duì)連續(xù)兩幀的單個(gè)顆粒物分別進(jìn)行相關(guān)性匹配，以實(shí)現(xiàn)顆粒物追蹤;
[0019]利用連續(xù)兩幀的顆粒物位移和時(shí)間信息計(jì)算出顆粒物的平均速度、最大速度和最小速度；
[0020]根據(jù)顆粒物的位移信息確定瞬時(shí)的流場圖。
[0021]本發(fā)明的有益效果:
[0022]本發(fā)明中，在密封腔體內(nèi)的拍攝裝置在相機(jī)前端設(shè)置顯微物鏡以及連接在顯微物鏡上的物鏡變焦機(jī)構(gòu)，相機(jī)采用高速高清相機(jī)，通過顯微物鏡的放大作用和物鏡變焦機(jī)構(gòu)的變焦調(diào)節(jié)作用，使得觀測量級(jí)可以達(dá)到微米級(jí)別，且能夠適應(yīng)海底環(huán)境和觀測微顆粒情況針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)節(jié)，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明大大提高了觀測精度以及觀測系統(tǒng)對(duì)于深海環(huán)境的適應(yīng)性。例如，通過本發(fā)明的拍攝裝置，可以攝取清晰的微細(xì)圖像以獲得泥沙和藻類等顆粒物大小、位置和形狀參數(shù)，同時(shí)也能實(shí)時(shí)地觀測得到深海沉積層與上覆水體間物質(zhì)交換情況及海底顆粒物流動(dòng)情況，從而能夠利用密封腔內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)處理裝置對(duì)攝取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以獲得瞬時(shí)湍流流速、物質(zhì)通量等重要參數(shù)，實(shí)時(shí)有效地獲得深海海底微顆粒物質(zhì)的狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)等信息。這些信息可以通過腔體的外部線纜接口經(jīng)線纜實(shí)時(shí)傳送到岸上。本發(fā)明能夠精確地、實(shí)時(shí)地得到這些數(shù)據(jù)信息，對(duì)于促進(jìn)海洋物理、海洋生物和生態(tài)的研究有著重要的意義。
[0023]通過本發(fā)明的微顆粒追蹤測速方法，海洋觀測微顆粒測量儀對(duì)采集得到的圖像進(jìn)行在線處理，提取顆粒物大小、位置等關(guān)鍵信息傳輸上岸，研究者可以在岸基獲得實(shí)時(shí)的深海環(huán)境觀測數(shù)據(jù)，從而為深海海底水動(dòng)力學(xué)的研究和更深入的深海觀測提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的海洋觀測微顆粒測量儀的腔體透視圖；
[0025]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的海洋觀測微顆粒測量儀的腔體俯視圖；
[0026]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的海洋觀測微顆粒測量儀與岸基的連接示意圖；
[0027]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的粒子陰影圖像測速方法流程圖；
[0028]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中的在線處理方法流程圖。
[0029]附圖標(biāo)記說明:
[0030]1.外殼2.腔體前蓋3.腔體后蓋4.高速相機(jī)5.顯微物鏡6.相機(jī)和物鏡支架
7.隔熱板8.控制板9.在線處理開發(fā)板10.物鏡變焦機(jī)構(gòu)11.觀測窗口 12.LED燈13.激光燈14.電機(jī)15.清潔刷。
【具體實(shí)施方式】
[0031]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0032]參閱圖1和圖2，在一些實(shí)施例里，海洋觀測微顆粒測量儀用于對(duì)微顆粒物的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀測研究，包括密封的腔體，腔體上開設(shè)有透明的觀測窗口 11，觀測窗口 11外設(shè)置有光源，腔體中在觀測窗口 11的內(nèi)側(cè)設(shè)置有拍攝裝置，拍攝裝置包括高速相機(jī)4、設(shè)置在高速相機(jī)4的前端的顯微物鏡5以及連接在顯微物鏡5上的物鏡變焦機(jī)構(gòu)10，高速相機(jī)4連接到腔體中的觀測數(shù)據(jù)處理裝置，光源的控制輸入端以及物鏡變焦機(jī)構(gòu)10連接到腔體中的控制裝置，觀測數(shù)據(jù)處理裝置和控制裝置連接到腔體的外部線纜接口，通過外部線纜接口，海洋觀測微顆粒測量儀可經(jīng)由線纜與岸基通信并獲取電能。
[0033]如圖1所示，在具體實(shí)施例中，控制裝置為控制板8，觀測數(shù)據(jù)處理裝置為在線處理開發(fā)板9。高速相機(jī)4可通過C-mount標(biāo)準(zhǔn)接口與顯微物鏡5搭配。通過顯微物鏡5和高速相機(jī)4采集的微顆粒圖像可由Cameralink線纜傳輸至在線處理開發(fā)板9。在線處理開發(fā)板9也可以向高速相機(jī)4發(fā)送拍攝控制指令。物鏡變焦機(jī)構(gòu)10可以采用物鏡變焦控制齒輪。通過顯微物鏡的放大作用和物鏡變焦機(jī)構(gòu)的變焦調(diào)節(jié)作用，使得觀測量級(jí)可以達(dá)到微米級(jí)別，且能夠適應(yīng)海底環(huán)境和觀測微顆粒情況針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)節(jié)，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，不僅大大提高了相機(jī)觀測精度，還提高了觀測系統(tǒng)對(duì)于深海環(huán)境的適應(yīng)性和觀測的靈活性。
[0034]在優(yōu)選的實(shí)施例中，拍攝裝置、控制板8和線處理開發(fā)板9裝在鈦合金耐壓腔體內(nèi)。腔體包括貫通的圓柱形外殼1、密封覆蓋在外殼前端和后端的腔體前蓋2及腔體后蓋3，觀測窗口 11設(shè)置在腔體前蓋2上。
[0035]腔體的觀測窗口 11優(yōu)選采用高許用應(yīng)力(230Mpa)的藍(lán)寶石玻璃，玻璃與腔體前蓋2之間、腔體前蓋2與外殼I之間均米用軸向密封、徑向密封相結(jié)合的方式，以提高儀器的密封性能，防止海水進(jìn)入腔體，保證所有儀器設(shè)備能夠在2000米深海處安全穩(wěn)定作業(yè)。
[0036]在優(yōu)選的實(shí)施例中，光源包括LED燈12和激光燈13，從而控制板8可根據(jù)觀測需要和實(shí)際環(huán)境控制使用LED燈12或激光燈13。其中LED燈12光強(qiáng)度比較高，適于在光源強(qiáng)度要求比較大的時(shí)候使用，以獲得清晰的圖像。激光燈13功率比LED燈12低，適于在光源強(qiáng)度要求比較低的情況下使用，對(duì)海底生物干擾小，且能節(jié)省海洋觀測微顆粒測量儀的電能。
[0037]在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，觀測窗口 11的外側(cè)設(shè)置有清潔刷15，腔體外殼I的側(cè)邊設(shè)置有電機(jī)14，清潔刷15與電機(jī)14的驅(qū)動(dòng)端相耦合，電機(jī)14的控制端連接到控制板8?？刂瓢?通過控制電機(jī)14等相關(guān)組件，可以控制清潔刷的啟停，清潔刷15在電機(jī)旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下可清潔觀測窗口 11，其在移動(dòng)路徑上還可以對(duì)LED燈12或激光燈13的發(fā)光面進(jìn)行清潔，清除觀測窗口 11和光源上附著的顆粒物或微生物體，保證攝像的清晰度和照明的亮度不受附著物影響。
[0038]腔體內(nèi)部可以用隔熱板7分隔成觀測倉和控制倉，拍攝裝置安裝在觀測倉內(nèi)，控制板8和線處理開發(fā)板9安裝在控制倉內(nèi)。通過隔熱板7將數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和觀測系統(tǒng)隔離開來，可以防止數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)產(chǎn)生過量的熱影響相機(jī)的正常運(yùn)行。[0039]腔體內(nèi)可安裝有與腔體前蓋2平行設(shè)置的支撐板，相機(jī)4和顯微物鏡5通過相機(jī)4和物鏡支架固定，相機(jī)4和物鏡支架一端安裝在腔體前蓋2上，另一端安裝在支撐板上。
[0040]在一個(gè)具體實(shí)施例中，隔熱板7和支撐板為同一塊板。
[0041]如圖3所示，通過腔體的外部線纜接口，可實(shí)現(xiàn)海洋觀測微顆粒測量儀與岸基的通訊，和海洋觀測微顆粒測量儀的供電。海洋觀測微顆粒測量儀可以通過8芯水密線纜(其中4芯供電，4芯做網(wǎng)絡(luò)傳輸)連接到海底觀測網(wǎng)接駁盒之上，海底觀測網(wǎng)接駁盒再通過光纖線纜連接到岸基，數(shù)據(jù)可以通過海底光纖傳輸上岸，實(shí)現(xiàn)海洋觀測微顆粒測量儀與岸基工作站之間的實(shí)時(shí)通訊功能。
[0042]工作時(shí)，控制板8通過接收岸基控制指令，可以對(duì)拍攝裝置、光源、電機(jī)14、清潔刷15進(jìn)行相應(yīng)的控制。拍攝裝置進(jìn)行圖像采集，顯微物鏡5和高速相機(jī)4采集的微顆粒圖像由Cameralink線纜傳輸至在線處理開發(fā)板9進(jìn)行高速實(shí)時(shí)在線圖像處理,提取微顆粒物的大小、位置等關(guān)鍵物理信息，大大減少從深海海底傳輸?shù)桨痘臄?shù)據(jù)量，降低海底觀測網(wǎng)線纜傳輸壓力，實(shí)現(xiàn)海底實(shí)時(shí)監(jiān)控和處理功能。
[0043]如圖4所示，在一個(gè)實(shí)施例里，使用海洋觀測微顆粒測量儀的微顆粒追蹤測速方法包括以下步驟:
[0044]接收來自高速相機(jī)的連續(xù)兩幀圖像；
[0045]連續(xù)兩幀圖像進(jìn)行圖像處理增強(qiáng)，二值化顆粒物圖像；
[0046]掃描確定顆粒物的中心點(diǎn)，以中心點(diǎn)代表相應(yīng)顆粒物；
[0047]采用匹配相關(guān)算法對(duì)連續(xù)兩幀的單個(gè)顆粒物分別進(jìn)行相關(guān)性匹配，以實(shí)現(xiàn)顆粒物追蹤;
[0048]利用連續(xù)兩幀的顆粒物位移和時(shí)間信息計(jì)算出顆粒物的平均速度、最大速度和最小速度；
[0049]根據(jù)顆粒物的位移信息確定瞬時(shí)的流場圖。
[0050]該方法可以獲得直觀的海底物質(zhì)輸運(yùn)過程信息。
[0051]如圖5所示，可通過該方法從原始圖像獲取顆粒物信息，滿足對(duì)于目標(biāo)的在線圖像處理高速實(shí)時(shí)要求。
[0052]通過在線圖像處理，提取得到顆粒物的大小、位置，可進(jìn)一步確定面濃度信息，同時(shí)獲得觀測區(qū)域的瞬時(shí)流場和平均湍流速度，實(shí)現(xiàn)用單一儀器測量微顆粒物質(zhì)通量。
[0053]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種海洋觀測微顆粒測量儀，包括密封的腔體，其特征在于，所述腔體上開設(shè)有透明的觀測窗口，所述觀測窗口外設(shè)置有光源，所述腔體中在所述觀測窗口的內(nèi)側(cè)設(shè)置有拍攝裝置，所述拍攝裝置包括相機(jī)、設(shè)置在所述相機(jī)的前端的顯微物鏡以及連接在所述顯微物鏡上的物鏡變焦機(jī)構(gòu)，所述相機(jī)連接到所述腔體中的觀測數(shù)據(jù)處理裝置，所述光源以及所述物鏡變焦機(jī)構(gòu)連接到所述腔體中的控制裝置，所述觀測數(shù)據(jù)處理裝置和所述控制裝置連接到所述腔體的外部線纜接口。
2.如權(quán)利要求1所述的海洋觀測微顆粒測量儀，其特征在于，所述腔體包括觀測倉和控制倉，所述拍攝裝置安裝在所述觀測倉內(nèi)，所述觀測數(shù)據(jù)處理裝置和所述控制裝置安裝在所述控制倉內(nèi)，所述觀測倉和所述控制倉之間以隔熱板隔離。
3.如權(quán)利要求1所述的海洋觀測微顆粒測量儀，其特征在于，所述腔體包括貫通的圓柱形外殼、分別密封覆蓋在所述外殼前端和后端的腔體前蓋及腔體后蓋，所述觀測窗口設(shè)置在所述腔體前蓋上。
4.如權(quán)利要求3所述的海洋觀測微顆粒測量儀，其特征在于，所述腔體內(nèi)安裝有與所述腔體前蓋平行設(shè)置的支撐板，所述相機(jī)和所述顯微物鏡通過相機(jī)和物鏡支架固定，所述相機(jī)和物鏡支架一端安裝在所述腔體前蓋上，另一端安裝在所述支撐板上。
5.如權(quán)利要求4所述的海洋觀測微顆粒測量儀，其特征在于，所述隔板為隔熱板，所述隔熱板將所述腔體分隔為觀測倉和控制倉，所述拍攝裝置安裝在所述觀測倉內(nèi)，所述觀測數(shù)據(jù)處理裝置和所述控制裝置安裝在所述控制倉內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的海洋觀測微顆粒測量儀，其特征在于，所述光源包括LED燈和激光燈，其中所述LED燈的光照強(qiáng)度高于所述激光燈的光照強(qiáng)度。
7.如權(quán)利要求6所述的海洋觀測微顆粒測量儀，其特征在于，所述觀測窗口的外側(cè)設(shè)置有清潔刷，所述腔體的側(cè)邊設(shè)置有電機(jī)，所述清潔刷與所述電機(jī)的驅(qū)動(dòng)端相耦合，所述電機(jī)的控制端連接到所述控制裝置，所述清潔刷的清潔范圍覆蓋所述觀測窗口和所述光源。
8.如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的海洋觀測微顆粒測量儀，其特征在于，所述觀測窗口為藍(lán)寶石玻璃窗口。
9.如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的海洋觀測微顆粒測量儀，其特征在于，所述外殼為鈦合金外殼。
10.一種使用權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述海洋觀測微顆粒測量儀的微顆粒追蹤測速方法，其特征在于，包括以下步驟: 通過所述海洋觀測微顆粒測量儀的拍攝裝置顯微放大并拍攝顆粒物圖像，并將所拍攝的圖像傳送到所述海洋觀測微顆粒測量儀的觀測數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行處理，處理過程包括:連續(xù)兩幀圖像進(jìn)行圖像處理增強(qiáng)，二值化顆粒物圖像； 掃描確定顆粒物的中心點(diǎn)，以中心點(diǎn)代表相應(yīng)顆粒物； 采用匹配相關(guān)算法對(duì)連續(xù)兩幀的單個(gè)顆粒物分別進(jìn)行相關(guān)性匹配，以實(shí)現(xiàn)顆粒物追蹤; 利用連續(xù)兩幀的顆粒物位移和時(shí)間信息計(jì)算出顆粒物的平均速度、最大速度和最小速度； 根據(jù)顆粒物的位移信息確定瞬時(shí)的流場圖。
【文檔編號(hào)】G01C13/00GK103994756SQ201410169100
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】陳道毅, 林雄偉, 蔡加祥, 李邵龍 申請(qǐng)人:清華大學(xué)深圳研究生院