海洋立體監(jiān)測(cè)中的水下光學(xué)檢測(cè)與成像傳感方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種海洋立體監(jiān)測(cè)中的水下光學(xué)檢測(cè)與成像傳感方法及系統(tǒng)，采用光纖式多普勒弱相干干涉的水聲傳感器，利用聲場(chǎng)對(duì)水折射率的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)干涉系統(tǒng)中相位調(diào)控，高速線陣CCD提供的高光譜采集速度使得干涉儀對(duì)水聲的實(shí)時(shí)響應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)；高速高分辨率的光譜解調(diào)模塊對(duì)于干涉信息中的譜分析提供了有利條件，干涉解調(diào)光譜儀解調(diào)出干涉譜中的水聲信息，而且0.05nm的光譜分辨率實(shí)質(zhì)性地提高水聲分辨率和成像效果；多尺度原位在線成像子系統(tǒng)能得到更為全面的水下信息，使得海洋生物的研究能取得突破性的進(jìn)展。本發(fā)明的水下光學(xué)檢測(cè)與成像傳感系統(tǒng)的完善不僅為海洋研究提供極大便利，也能滿足水質(zhì)檢測(cè)方面的產(chǎn)業(yè)化需求。
【專利說(shuō)明】
海洋立體監(jiān)測(cè)中的水下光學(xué)檢測(cè)與成像傳感方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于水下光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種海洋立體監(jiān)測(cè)中的水下光學(xué)檢 測(cè)與成像傳感方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，光學(xué)檢測(cè)與成像技術(shù)(包括影像傳感器、光纖傳感器、熒光及其成像傳感、 時(shí)間分辨光學(xué)成像、頻域光學(xué)成像、光學(xué)相干層析技術(shù)等等)在海洋環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用飛速 發(fā)展，由于其具有靈敏度高、分辨率高、能做到實(shí)時(shí)在線成像等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是最具有 應(yīng)用前景的學(xué)科之一。
[0003] 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)是所有海洋工作的基礎(chǔ)，合適的水下成像和水下傳感技術(shù)在海洋監(jiān) 測(cè)工作中是迫切需要的。水下光學(xué)檢測(cè)是海洋研究的一種必要手段，也是一個(gè)熱點(diǎn)研究的 高新技術(shù)，對(duì)海洋資源的保護(hù)、開發(fā)以及利用有極其重要的意義。不同于光在空氣中的傳 播，水下成像中，水體的光學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)比空氣復(fù)雜的多。光線在水中傳播時(shí)，水體對(duì)光線吸收， 大大降低了成像的可視距離。此外水體存在大量懸浮微粒，微粒的散射效應(yīng)會(huì)隨探測(cè)光強(qiáng) 的增加而加強(qiáng)。而且，由于水體本身的變化，例如水中的湍流等復(fù)雜的不穩(wěn)定因素對(duì)成像清 晰造成巨大的困難。因此，傳統(tǒng)的一些水下光檢測(cè)方法無(wú)法在多尺度實(shí)時(shí)的海水檢測(cè)中得 到實(shí)質(zhì)性的突破。針對(duì)于水體復(fù)雜的環(huán)境，我們需要一個(gè)高靈敏度原位在線的水下光學(xué)傳 感與成像技術(shù)。
[0004] 隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的發(fā)展和多種觀測(cè)平臺(tái)的研發(fā)，用光對(duì)于水下聲波的探測(cè) 已經(jīng)成為一個(gè)主流手段。傳統(tǒng)的聲探測(cè)器是通過(guò)將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。電聲 能量轉(zhuǎn)換可以通過(guò)兩種不同途徑來(lái)達(dá)到:一種可以借助于電場(chǎng)中的電-力效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，另一 種可借助于磁場(chǎng)中的磁-力效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而基于前一種途徑的水聲傳感器包括電容式、壓電 單晶、壓電陶瓷、高分子壓電與鐵電反鐵電換能器;基于后者的則包括電動(dòng)式、電磁式、磁致 伸縮、超導(dǎo)電式換能器。應(yīng)用最廣泛的就是壓電陶瓷換能器。然而這種水聲傳感儀器一方面 成本較高，另一方面檢測(cè)精度還不能完全滿足人們的需要。對(duì)比于傳統(tǒng)的水聲傳感器，用光 學(xué)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)水下聲檢測(cè)有很大的優(yōu)勢(shì)，而且也吸引了眾多的研究人員投入這種傳感技術(shù) 的探索中。
[0005] 光在水底的傳播衰減迅速是水下成像限制的主要因素，近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外為了 實(shí)現(xiàn)水下光電成像主要有如下方式：1)使用透射系數(shù)相對(duì)較高的藍(lán)綠激光作為探測(cè)光源， 改變探測(cè)光源的工作方式減少散射帶來(lái)的影響，例如港科海洋研究所(ΗΒ0Ι)使用高功率的 高斯型脈沖綠光激光器作為探測(cè)光源。2)特殊的成像技術(shù)，Schechner和Karpel在2004年提 出偏振成像提高水下能見度，其制作的Aqua-Polaricam偏振成像系統(tǒng)能得到更佳的水底成 像效果，利用偏振對(duì)散射光的消光作用，水下的散射光對(duì)成像的影響大大降低。利用結(jié)構(gòu)光 成像的方法，通過(guò)多角度的信息收集，后期對(duì)成像物體的細(xì)節(jié)進(jìn)行還原，其中Levoy提出的 光源群照射方法分離目標(biāo)背景和散射光，從而提高成像的對(duì)比度。此外，Negahdaripour和 Negahdaripour等人在2007~2008年提出使用光聲復(fù)合成像的原理，通過(guò)高頻聲吶獲得低 能見度下水下的3D形貌，通過(guò)后期重建圖像得到光聲復(fù)合的圖形。3)后期處理，使用相關(guān)的 理論模型，對(duì)采集到的光信息進(jìn)行后期處理，獲得清晰度較高的圖像。
[0006] 迄今為止，對(duì)于水下檢測(cè)成像的清晰度、采集速度以及檢測(cè)尺度等方面還有很大 的改進(jìn)空間。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種海洋立體監(jiān)測(cè)中的水下光學(xué)檢 測(cè)與成像傳感方法及系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)水下高靈敏度光學(xué)檢測(cè)和高分辨率成像。
[0008] 本發(fā)明具體通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0009] -種海洋立體監(jiān)測(cè)中的水下光學(xué)檢測(cè)與成像傳感系統(tǒng)，利用光譜成像和光譜分析 技術(shù)對(duì)海洋信息進(jìn)行多維度采集，所述系統(tǒng)包括基于光學(xué)干涉的水聲傳感器、干涉解調(diào)光 譜儀以及多尺度原位在線成像子系統(tǒng);其中，所述基于光學(xué)干涉的水聲傳感器采用多普勒 弱相干干涉技術(shù)，所述傳感器包括寬譜光源、相位調(diào)制器、參考臂、樣品臂、光學(xué)延遲器、光 電探測(cè)器以及采集模塊;所述傳感器用于將頻域弱相干干涉與相位解調(diào)多普勒頻移技術(shù)的 結(jié)合以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高成像速度、大動(dòng)態(tài)范圍的多普勒弱相干干涉，所述采集模塊獲得復(fù) 數(shù)形式的時(shí)域A-scan信號(hào)，然后再運(yùn)用相位解調(diào)多普勒頻移的方法得到流速分布以及不同 位置處多普勒頻譜的標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)而得到水下聲強(qiáng)度信息;所述干涉解調(diào)光譜儀，用于解調(diào)出 干涉譜中的水聲信息;所述多尺度原位在線成像子系統(tǒng)包括海水取樣模塊以及投影成像模 塊，其中，所述海水取樣模塊由伺服控制的高吸程大口徑自吸栗對(duì)樣品池進(jìn)行自動(dòng)化取樣， 從而實(shí)現(xiàn)海水的原位在線檢測(cè)與成像。
[0010] 進(jìn)一步地，所述傳感器的寬譜光源發(fā)出的光入射到一個(gè)2X2的光纖耦合器，出射 光分別入射系統(tǒng)的參考臂和樣品臂，參考臂的光被準(zhǔn)直后通過(guò)一段距離并被平面鏡反射提 供干涉所需的光學(xué)延遲，入射樣品臂的光經(jīng)過(guò)光學(xué)共焦系統(tǒng)聚焦在待測(cè)樣品上，來(lái)自樣品 的背向散射光被收集并與參考臂的返回光在耦合器里耦合，然后耦合光在光電探測(cè)器表面 發(fā)生干涉并被記錄下來(lái)，利用短時(shí)傅里葉變換或希爾伯特變換的方法從采集到的干涉信號(hào) 中提取出聲場(chǎng)產(chǎn)生的多普勒頻移，進(jìn)而得到水下聲強(qiáng)度信息。
[0011] 進(jìn)一步地，所述投影成像模塊在兩種模式下工作:快速成像模式和高分辨成像模 式，不同的模式選取不同的CCD傳感器，其中，快速成像模式采用高速線陣CCD。
[0012] 進(jìn)一步地，所述寬普光源為高穩(wěn)定高均勻高亮度LED或鹵素?zé)簦鰧捚展庠窗l(fā)出 的光，經(jīng)擴(kuò)散片擴(kuò)散成為照度均勻的擴(kuò)散光，再經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)得到極為均勻的 平行光，以透射樣品。
[0013] 進(jìn)一步地，所述光譜儀采用垂直Czerny-Turner結(jié)構(gòu)。
[0014]進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)還包括用嵌入式控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理中心自制的一個(gè)嵌入式 子系統(tǒng)，用于控制圖像采集和光譜像采集，最終獲取浮游生物圖像信息。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用光纖式多普勒弱相干干涉的水聲傳感器，利用 聲場(chǎng)對(duì)水折射率的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)干涉系統(tǒng)中相位調(diào)控，高速線陣CCD提供的高光譜采集 速度使得干涉儀對(duì)水聲的實(shí)時(shí)響應(yīng)得以實(shí)現(xiàn);高速高分辨率的光譜解調(diào)模塊對(duì)于干涉信息 中的譜分析提供了有利條件，干涉解調(diào)光譜儀解調(diào)出干涉譜中的水聲信息，而且0.05nm的 光譜分辨率實(shí)質(zhì)性地提高水聲分辨率和成像效果;多尺度原位在線成像子系統(tǒng)能得到更為 全面的水下信息，使得海洋生物的研究能取得突破性的進(jìn)展。本發(fā)明的水下光學(xué)檢測(cè)與成 像傳感系統(tǒng)的完善不僅為海洋研究提供極大便利，也能滿足水質(zhì)檢測(cè)方面的產(chǎn)業(yè)化需求。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明的水下光學(xué)檢測(cè)與成像傳感系統(tǒng)框圖；
[0017]圖2是弱相干干涉系統(tǒng)原理圖；
[0018] 圖3是流體流速與探測(cè)光束夾角示意圖；
[0019] 圖4是一個(gè)典型的多普勒弱相干干涉系統(tǒng)示意圖；
[0020] 圖5是光斑大小隨波長(zhǎng)變化曲線；
[0021] 圖6是譜面彎曲情況示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合【附圖說(shuō)明】及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0023] 海洋聲學(xué)傳感器(水聲傳感器)基于光纖干涉技術(shù)，寬帶近紅外光源經(jīng)過(guò)一定分光 比的光纖耦合器，分別入射參考臂和測(cè)量臂。利用寬帶光源的低相干特性，通過(guò)測(cè)量樣品后 向散射光的干涉信號(hào)，對(duì)探測(cè)介質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨率層析成像。低相干光源發(fā)出 的光入射到一個(gè)2 X 2的光纖耦合器出射光分別入射系統(tǒng)的參考臂和樣品臂，參考臂的光被 準(zhǔn)直后通過(guò)一段距離并被平面鏡反射提供干涉所需的光學(xué)延遲，入射樣品臂的光經(jīng)過(guò)光學(xué) 共焦系統(tǒng)聚焦在待測(cè)樣品上，來(lái)自樣品的背向散射光被收集并與參考臂的返回光在耦合器 里耦合，然后耦合光在光電探測(cè)器表面發(fā)生干涉。干涉信號(hào)進(jìn)入高速高分辨光譜解調(diào)模塊， 采集得到干涉信號(hào)的光譜信息并經(jīng)特定算法處理。在水下聲檢測(cè)的研究中，測(cè)量臂聲場(chǎng)在 沿入射光方向上的分量產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，樣品中的背向散射光被聲振動(dòng)場(chǎng)改變頻率與相 位，并與參考臂返回光(通常要經(jīng)過(guò)頻率調(diào)制）發(fā)生干涉，干涉信號(hào)被探測(cè)、采集，然后利用 短時(shí)傅里葉變換或希爾伯特變換的方法從干涉信號(hào)中提取出聲場(chǎng)產(chǎn)生的多普勒頻移，進(jìn)而 得到水下聲強(qiáng)度信息。
[0024] 基于光纖干涉技術(shù)的海洋聲學(xué)傳感器系統(tǒng)中搭建的高速光譜解調(diào)模塊與商用光 譜儀相比側(cè)重于追求高速和高光譜分辨率，而不需要很寬的光譜探測(cè)范圍。因此，需要自行 研制聲學(xué)傳感系統(tǒng)的干涉解調(diào)光譜儀。本發(fā)明的高速光譜解調(diào)水聲的裝置結(jié)構(gòu)為光纖干涉 儀，干涉信號(hào)光從光纖頭發(fā)出，經(jīng)fl = 75mm的消色差透鏡擴(kuò)束，入射一個(gè)透射光柵 (12001pmm)，色散后經(jīng)f2 = 200mm的聚焦鏡匯聚在線陣CCD探測(cè)元上。用高速線陣CCD相機(jī)， 2048個(gè)像元，最高光譜采集速度100kl ine/s，光譜分辨率達(dá)0.05nm以上。水聲探測(cè)所需的高 速光譜解調(diào)模塊則需要每秒采集上十萬(wàn)條光譜，CCD的掃描速度決定著系統(tǒng)的掃描速度，隨 著光電成像器件技術(shù)的不斷發(fā)展，高速的CCD不斷推出，使得光學(xué)水聲探測(cè)器成為可能。
[0025] 除光學(xué)水聲探測(cè)器外，本發(fā)明還將開展水下原位光譜分析系統(tǒng)和多尺度原位光學(xué) 成像方法研究。利用光譜成像和光譜分析技術(shù)對(duì)海洋信息進(jìn)行多維度采集。利用高穩(wěn)定高 均勻高亮度LED或鹵素?zé)糇鳛楣庠?，光源發(fā)出的光，經(jīng)擴(kuò)散片擴(kuò)散成為照度均勻的擴(kuò)散光， 再經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)得到極為均勻的平行光，以透射樣品。對(duì)光學(xué)投影成像系統(tǒng)而 言，平行投影的近似程度決定成像質(zhì)量及成像范圍，可以利用小的光闌及增大物距來(lái)增大 平行投影的近似程度，提高成像質(zhì)量及成像范圍。研制自動(dòng)化取樣池，由伺服控制的高吸程 大口徑自吸栗對(duì)樣品池進(jìn)行自動(dòng)化取樣，從而實(shí)現(xiàn)海水的原位在線檢測(cè)與成像。使用的海 洋微生物圖像探測(cè)裝置可以設(shè)計(jì)為兩種模式下工作，一種為快速成像模式，另一種為高分 辨成像模式。不同的模式選取不同的CCD傳感器。實(shí)驗(yàn)最終樣品儀器還包括用嵌入式控制、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理中心自制的一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，控制圖像采集和光譜像采集，最終獲取浮游生 物圖像信息。
[0026]本發(fā)明的如附圖1所示，下面就本發(fā)明的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0027] 水下基于光學(xué)干涉的水聲傳感器
[0028]光學(xué)干涉一直被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)水下傳感器的重要手段。通過(guò)對(duì)參考臂的調(diào)節(jié)控制， 可以從干涉圖樣中提取出感興趣的重要信息。光學(xué)弱相干干涉技術(shù)是一種三維層析成像技 術(shù)，它利用寬帶光源的低相干特性，通過(guò)測(cè)量樣品后向散射光的干涉信號(hào)，對(duì)探測(cè)介質(zhì)內(nèi)部 微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨率層析成像。該技術(shù)在保證一定探測(cè)深度的同時(shí)，達(dá)到了微米級(jí)空間 分辨率和l〇〇dB左右靈敏度，具有高分辨率，高靈敏度，非侵入，無(wú)損傷等特點(diǎn)，有著很好的 發(fā)展前景。本發(fā)明擬采用光纖式弱相干干涉技術(shù)，將寬帶近紅外光源經(jīng)過(guò)一定分光比的光 纖耦合器，分別入射參考臂和測(cè)量臂。
[0029] 一個(gè)典型的弱相干干涉系統(tǒng)原理圖如附圖2所示，低相干光源發(fā)出的光入射到一 個(gè)2X2的光纖耦合器(可視為邁克爾遜干涉儀），出射光分別入射系統(tǒng)的參考臂和樣品臂， 參考臂的光被準(zhǔn)直后通過(guò)一段距離并被平面鏡反射提供干涉所需的光學(xué)延遲，入射樣品臂 的光經(jīng)過(guò)光學(xué)共焦系統(tǒng)聚焦在待測(cè)樣品上，來(lái)自樣品的背向散射光被收集并與參考臂的返 回光在耦合器里耦合，然后耦合光在光電探測(cè)器表面發(fā)生干涉并被記錄下來(lái)，采集到的干 涉信號(hào)被處理成一條縱深方向的掃描A-scan，表不在樣品臂掃描光束焦點(diǎn)位置處，樣品內(nèi) 部沿入射光方向的不同深度的層結(jié)構(gòu)的反射強(qiáng)弱。當(dāng)樣品臂的掃描光束在樣品表面進(jìn)行橫 向掃描時(shí)，采集到的多條A-scan將組合成一幅樣品結(jié)構(gòu)的二維截面圖，稱為一個(gè)B-scan，若 加上樣品表面另一維的掃描則可以實(shí)現(xiàn)三維體結(jié)構(gòu)成像。
[0030] 在時(shí)域弱相干干涉系統(tǒng)中，低相干光源是一個(gè)寬譜的連續(xù)光源，參考臂返回光的 相位延遲被重復(fù)掃描，并用一個(gè)光電點(diǎn)探測(cè)器接收干涉信號(hào)。在參考臂掃描的每個(gè)位置，樣 品臂中只有某一特定深度的背向散射光才能與參考光相干，掃描產(chǎn)生的干涉振蕩被記錄并 提取出振蕩條紋的包絡(luò)信息來(lái)標(biāo)記樣品中的每個(gè)分層。
[0031] 頻域弱相干干涉系統(tǒng)可以分為光譜弱相干干涉和掃頻弱相干干涉兩種。在光譜弱 相干干涉中，光源仍為寬譜連續(xù)光源，參考臂采用固定的與樣品臂中的待測(cè)樣品對(duì)應(yīng)的返 回光延遲，參考臂的返回光與入射樣品各個(gè)深度的返回光發(fā)生干涉，干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)光譜儀 分光得到其光譜信息，并被光電二極管陣列或者CCD記錄下來(lái)。在掃頻弱相干干涉中，參考 臂仍舊采用固定的返回光延遲，光源分時(shí)輸出不同波長(zhǎng)的單色光并在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn) 行快速的波長(zhǎng)掃描輸出，接收端則由一個(gè)或幾個(gè)點(diǎn)探測(cè)器隨時(shí)間來(lái)接收干涉信號(hào)的光譜信 息。頻域弱相干干涉系統(tǒng)的兩種形式，在干涉信號(hào)的光譜展開條紋中，條紋頻率包含著待測(cè) 樣品在掃描光束入射點(diǎn)處整個(gè)入射深度的結(jié)構(gòu)信息。干涉條紋經(jīng)過(guò)一些信號(hào)處理，如由波 長(zhǎng)空間至波數(shù)空間的轉(zhuǎn)換，參考臂和樣品臂之間的色散補(bǔ)償，再經(jīng)過(guò)反傅里葉變換就可以 恢復(fù)出A_s can信息。
[0032] 本發(fā)明在進(jìn)行水下聲場(chǎng)探測(cè)時(shí)，參考臂反射光和測(cè)量聲場(chǎng)臂的返回光經(jīng)光纖耦合 器耦合并發(fā)生干涉，干涉信號(hào)進(jìn)入高速高分辨光譜解調(diào)模塊，采集得到干涉信號(hào)的光譜信 息并經(jīng)特定算法處理。測(cè)量臂聲場(chǎng)在沿入射光方向上的分量產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，樣品中的背 向散射光被聲振動(dòng)場(chǎng)改變頻率與相位，并與參考臂返回光(通常要經(jīng)過(guò)頻率調(diào)制）發(fā)生干 涉，干涉信號(hào)被探測(cè)、采集，然后利用短時(shí)傅里葉變換或希爾伯特變換的方法從干涉信號(hào)中 提取出聲場(chǎng)產(chǎn)生的多普勒頻移，進(jìn)而得到水下聲強(qiáng)度信息。
[0033] 多普勒弱相干干涉結(jié)合了多普勒原理和弱相干干涉技術(shù)，可以同時(shí)提供高散射生 物組織中靜態(tài)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)成分的高分辨率截面圖。由于具有很高的空間分辨率和速度靈敏 度，多普勒弱相干干涉在生物醫(yī)學(xué)研究和臨床醫(yī)學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用。
[0034] 當(dāng)入射光被樣品中運(yùn)動(dòng)粒子散射，背向返回光與參考臂返回光發(fā)生干涉，干涉條 紋中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)多普勒頻移：
[0036]式中，λ"；和欠分別為入射光和散射光的波矢，v為運(yùn)動(dòng)粒子的速度矢量，如附圖3所 示。由于多普勒弱相干干涉測(cè)的是背向散射光，假設(shè)入射光束與待測(cè)流體間的夾角為Θ(多 普勒角），則多普勒頻移可以簡(jiǎn)化為：
[0038]式中λ〇為光源在真空中的中心波長(zhǎng)。
[0039] 多普勒弱相干干涉系統(tǒng)與弱相干干涉系統(tǒng)相似，主要的區(qū)別在于信號(hào)處理部分。 附圖4所示為一個(gè)多普勒弱相干干涉系統(tǒng)，寬帶光源發(fā)出的光耦合進(jìn)一個(gè)光纖干涉儀，等比 例分成兩路進(jìn)入?yún)⒖急酆蜆悠繁?。樣品中的背向散射光與參考臂的返回光在耦合器里發(fā)生 干涉疊加。參考臂中選用一個(gè)快掃描延遲線來(lái)提供群延遲并進(jìn)行軸向掃描。由于延遲線會(huì) 把群延遲從相位延遲中分離出來(lái)，故系統(tǒng)利用一個(gè)電光相位調(diào)制器來(lái)產(chǎn)生一個(gè)固定的載 頻。干涉信號(hào)被放大，帶通濾波，然后被模數(shù)轉(zhuǎn)化，送入電腦進(jìn)行處理。
[0040] 為了理解多普勒弱相干干涉的信號(hào)處理過(guò)程，我們先來(lái)研究由運(yùn)動(dòng)粒子所影響的 條紋信號(hào)。記u(t)為一個(gè)隨機(jī)過(guò)程的復(fù)數(shù)值解析信號(hào)，來(lái)表示低相干光源發(fā)出的場(chǎng)強(qiáng)幅值； ?"7(κ)為光頻率為V時(shí)的光譜幅度。則在t時(shí)刻耦合進(jìn)干涉儀的弱相干光為：
[0042]由于弱相干光源的隨機(jī)過(guò)程是固定的，則的互譜密度滿足
[0044] 式中So(v)為光源功率譜密度，δ(ν-ν'）為狄拉克函數(shù)。假設(shè)光等量地以譜幅度 進(jìn)入?yún)⒖急酆蜆悠繁?，則探測(cè)器接收到的兩臂的返回光為
[0045] C^(v) = e2nivK2L')JcKr (v)eia'ir)lT0(v) (5)
[0046] c7^(v) = e2"!V(：2：4 iL^cKXv)eiaAV%(v) (6)
[0047]式中Lr和Ls為從光分束器分別到參考臂反射鏡和樣品的光程，Ld為從光分束器到 探測(cè)器的光程，和尾卜)產(chǎn)("分別為參考臂和散射樣品對(duì)入射光強(qiáng)的反射系數(shù)。
[0048]則干涉儀輸出的干涉信號(hào)總功率為總光強(qiáng)幅度平方的時(shí)間平均：
[0049] Pd(T) = <|Us(t)+Ur(t+T) |2> (7)
[0050] 式中τ為光在兩臂的時(shí)間延遲之差。結(jié)合式（3)和（4)，探測(cè)到的總功率包括三部 分:參考臂Ir，樣品臂Is，干涉信號(hào)強(qiáng)度Ρ·(τ)，
[0052] 其中，
[0053] Pr(v) = So(v) |Kr(v) I2 (9)
[0054] Ps(v) = So(v) |Ks(v) I2 (10)
[0055] P〇dt(v) =2So(v)Kr(v)Ks(v)cos[23iv( Δ d/c+x)+as(v)-ar(v) ] (11)
[0059] 被運(yùn)動(dòng)粒子散射的光可以等效為一個(gè)運(yùn)動(dòng)的波前，則式(1-19)中的Ad可被寫為
[0060] Ad=A+2'^(l5)
[0061] 式中△為樣品和參考臂反射鏡的光程差，Vz為運(yùn)動(dòng)粒子在入射光束方向上的速度 分量，《為流體的折射率。
[0062] 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)a4Par在光源光譜范圍內(nèi)為常數(shù)，可以忽略其影響。則光譜域 的干涉信號(hào)PC)DT( V )可以簡(jiǎn)化為
[0064] 對(duì)應(yīng)的時(shí)間域干涉信號(hào)Γ ?Τ(τ)為
[0066] 對(duì)比式（16)和（17)，可以看出在時(shí)域信號(hào)和譜域信號(hào)之間存在一個(gè)傅里葉變換關(guān) 系。這樣，就存在有兩種獲得多普勒弱相干干涉信號(hào)的方法:時(shí)域方法和頻域方法。在時(shí)域 方法中，參考臂中的延遲線產(chǎn)生延遲，利用譜分析或者相位解調(diào)算法來(lái)提取多普勒頻移。在 頻域方法中，參考臂是固定的，沒有深度掃描即τ為常數(shù)，頻域的干涉信號(hào)P QDT(v)通過(guò)光譜 儀分光或者利用掃頻光源來(lái)得到，再經(jīng)過(guò)傅里葉變換得到時(shí)域信號(hào)F <?τ(τ)。
[0067] 利用相干門來(lái)對(duì)流體定位并進(jìn)行流速測(cè)量的技術(shù)最早出現(xiàn)在1991年，當(dāng)時(shí)得到了 管道里散射流體中散射顆粒的一維流速分布。1997年，人們利用譜分析的方法第一次得到 活體生物組織的二維多普勒弱相干干涉圖像，譜分析法通過(guò)短時(shí)傅里葉變換(STFT)或者小 波變換來(lái)計(jì)算出待測(cè)干涉信號(hào)的功率譜。盡管譜分析法可以對(duì)活體組織結(jié)構(gòu)和血液流速同 時(shí)成像，但在高速成像模式下該方法不能提供較高的速度靈敏度。相位解調(diào)多普勒弱相干 干涉的提出克服了這個(gè)問(wèn)題，該方法利用弱相干干涉相鄰的A-scan間的相位變化重建出流 速分布圖像，解決了流速測(cè)量中空間分辨率和速度靈敏度之間的矛盾，并且在不犧牲空間 分辨率和速度靈敏度的情況下將成像速度增加了兩個(gè)量級(jí)以上。成像速度和速度靈敏度的 顯著增加使得人皮膚的活體組織微血管循環(huán)成像成為可能。頻域弱相干干涉的出現(xiàn)大大提 高了弱相干干涉的成像速度和靈敏度。頻域弱相干干涉與相位解調(diào)方法的結(jié)合獲得了比時(shí) 域多普勒弱相干干涉更高的成像速度和速度測(cè)量范圍。下面將重點(diǎn)介紹基于短時(shí)傅里葉變 換的時(shí)域多普勒弱相干干涉技術(shù)和基于相位解調(diào)的多普勒弱相干干涉技術(shù)。
[0068]時(shí)域多普勒弱相干干涉利用譜分析法來(lái)獲得干涉信號(hào)中的多普勒頻移。時(shí)域弱相 干干涉所探測(cè)得到的隨時(shí)間變化的干涉信號(hào)Fcmbbt)在對(duì)應(yīng)于時(shí)間窗口 ^的第i個(gè)像素 點(diǎn)處的功率譜是通過(guò)短時(shí)傅里葉變換或者小波變換得到：
[0070]式中匕是離散的頻率值。層析結(jié)構(gòu)圖是利用相位調(diào)制頻率fQ對(duì)應(yīng)的功率譜來(lái)重建 的。多普勒頻移ft對(duì)應(yīng)于相位調(diào)制頻率與第i個(gè)像素點(diǎn)處計(jì)算得到的功率譜的質(zhì)心頻率f。 之差，進(jìn)一步由式(2)得到流體流速為：
[0072]其中功率譜的質(zhì)心頻率計(jì)算公式如下：
[0074] 盡管譜分析的方法可以對(duì)活體生物組織和流速同時(shí)成像，但能提供的速度靈敏度 和成像速度之間存在著矛盾。利用STFT或者小波變換來(lái)計(jì)算流速時(shí)，頻率分辨率由STFT所 選取的時(shí)間窗口來(lái)決定?？梢越馕龅淖钚《嗥绽疹l移與所選時(shí)間窗口成反比，要能測(cè)出更 小的多普勒頻移就需要更長(zhǎng)的時(shí)間窗口，而像素的采集時(shí)間與時(shí)間窗口成比例，這樣成像 速度將被速度靈敏度所限制。另外，空間分辨率同樣與STFT的時(shí)間窗口成比例。于是大的時(shí) 間窗口增加了速度分辨率而犧牲了成像速度和空間分辨率。這些矛盾在微血管低流速測(cè)量 中表現(xiàn)的非常明顯。
[0075] 相位解調(diào)多普勒弱相干干涉技術(shù)解決了這些矛盾，它利用相鄰的A掃描之間的相 位變化來(lái)解調(diào)出流速信息。干涉信號(hào)的相位信息是通過(guò)利用希爾伯特變換構(gòu)建干涉信號(hào)的 復(fù)數(shù)形式進(jìn)而得到的：
[0077] 式中P為柯西主值，i為虛數(shù)單位，A(t)和Φ (t)為的幅值和相位。
[0078] 這樣在軸向掃描中第η個(gè)像素處的多普勒頻移匕就可以由相鄰的A掃描間的平均 相位變化計(jì)算得到：
[0080]或者相位變化也可以由互相關(guān)運(yùn)算得到：
[0082] 式中f和f )分別為第j個(gè)A掃描在軸向掃描時(shí)刻U時(shí)得到的復(fù)數(shù)信號(hào)及 其共輒，fVD和f*i+1(u則為下一個(gè)A掃描在軸向掃描時(shí)刻tm時(shí)得到的復(fù)數(shù)信號(hào)及其共 輒;Μ為參與相位差軸向平均的相鄰像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，N為進(jìn)行相位差的平均運(yùn)算的相鄰A掃描 的個(gè)數(shù);T為兩次相鄰A掃描開始時(shí)間間隔，由于T遠(yuǎn)大于像素對(duì)應(yīng)的時(shí)間窗口的采集時(shí)間， 故利用該方法可以提供更高的速度靈敏度。
[0083] 除了可以獲得不同軸向位置處的流速信息，也可以由相位解調(diào)技術(shù)得到不同位置 處多普勒頻譜的標(biāo)準(zhǔn)差：
[0085] 式中P (f)為多普勒功率譜，fD為多普勒頻移的質(zhì)心。標(biāo)準(zhǔn)差σ依賴于流體流速分 布，流速的變化會(huì)導(dǎo)致多普勒頻譜展寬和較大的〇。
[0086] 頻域弱相干干涉與相位解調(diào)多普勒頻移技術(shù)的結(jié)合使得高靈敏度，高成像速度， 大動(dòng)態(tài)范圍的多普勒弱相干干涉成為可能。光譜弱相干干涉與掃頻弱相干干涉實(shí)現(xiàn)多普勒 弱相干干涉功能都是先獲得復(fù)數(shù)形式的時(shí)域A-scan信號(hào)，然后再運(yùn)用相位解調(diào)多普勒頻移 的方法得到流速分布。
[0087] 以掃頻弱相干干涉為例，若系統(tǒng)參考臂加入電光相位調(diào)制器來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定載頻，實(shí) 現(xiàn)對(duì)低頻自相關(guān)項(xiàng)和傅里葉變換產(chǎn)生的鏡像的消除。隨掃頻光源波長(zhǎng)掃描而采集的時(shí)變干 涉信號(hào)r (t)，先經(jīng)過(guò)傅里葉變換轉(zhuǎn)換至頻率空間，再乘以一個(gè)階躍函數(shù)選取正頻部分，經(jīng) 過(guò)一個(gè)帶通濾波去除低頻和直流噪聲，接下來(lái)的解調(diào)步驟移除載頻，然后經(jīng)過(guò)逆傅里葉變 換把信號(hào)轉(zhuǎn)換回時(shí)間域，這時(shí)候的時(shí)變干涉信號(hào)已經(jīng)是復(fù)數(shù)形式了。再經(jīng)過(guò)插值把時(shí)變信 號(hào)轉(zhuǎn)換為波數(shù)空間的干涉信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)傅里葉變換，就得到了復(fù)數(shù)形式的時(shí)域A掃描信 號(hào)。之后應(yīng)用相位解調(diào)方法有：
[0090] 原位在線光譜分析
[0091 ]光譜分析方法作為一種重要的分析手段，在科研、生產(chǎn)、質(zhì)控等方面，都發(fā)揮著極 大的作用。復(fù)合光經(jīng)色散元件分光后，得到一條按波長(zhǎng)順序排列的光譜，然后通過(guò)CCD等探 測(cè)器進(jìn)行觀測(cè)記錄的設(shè)備稱為光譜儀。
[0092]無(wú)論是在單道掃描型還是多通道型或全譜直讀型的任何光譜儀中，通常都希望滿 足以下三個(gè)功能：
[0093] 1.有適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)范圍和波長(zhǎng)選擇；
[0094] 2.能從被檢測(cè)的輻射源的特定區(qū)域里采集盡可能多的光；
[0095] 3. -定的分辨率。
[0096]作為頻域弱相干干涉中光譜儀系統(tǒng)，波長(zhǎng)范圍就是弱相干干涉激光光源的光譜范 圍，約在780~900nm。分辨率越高越好，一般要在0.1~0.5nm。此外，為滿足高速采集的成像 速度和好的性價(jià)比，還需滿足以下兩個(gè)特殊要求：
[0097] 1.取材于常見元件，控制成本。
[0098] 2.信號(hào)采集速度快。
[0099]為達(dá)到這兩個(gè)目標(biāo)，系統(tǒng)將包括：
[0100] (a)-個(gè)入射光孔，直接與紅外激光器輸出端相連。
[0101] (b) -個(gè)能產(chǎn)生一束平行光的準(zhǔn)直系統(tǒng)。
[0102] (c)閃耀光柵色散系統(tǒng)。
[0103] (d) -個(gè)能使被色散的特定狹窄譜寬重顯的聚焦及成像系統(tǒng)。
[0104] 現(xiàn)在比較成熟的光譜儀結(jié)構(gòu)為Ebert-Fast ie結(jié)構(gòu)和Czerny-Turner結(jié)構(gòu)。前者需 要一塊較大凹面鏡。由于大面積面鏡加工和制作的困難，市場(chǎng)長(zhǎng)不常見，故不宜選擇E-F結(jié) 構(gòu)。另外，C-T的兩塊面鏡可以靈活調(diào)節(jié)，同時(shí)，如果采用交叉結(jié)構(gòu)，能有效減小空間。C-T結(jié) 構(gòu)又分水平和垂直兩類。水平結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)方便，譜面不太均勻。垂直結(jié)構(gòu)可以消除彗差和一定 程度避免譜面彎曲，且對(duì)準(zhǔn)直光要求稍弱。所以主要參考垂直Czerny-Turner結(jié)構(gòu)。
[0105] 光譜儀的參數(shù)設(shè)計(jì):首先計(jì)算能達(dá)到的極限分辨率。
[0106] 1)光柵對(duì)分辨率的限制
[0107] 用目鏡產(chǎn)生的準(zhǔn)直光較細(xì)，寬度約在4_，分辨率約為0.18nm。
[0108] 2) CCD像元的限制
[0109] CCD共有2700個(gè)像元，用于探測(cè)780~900nm范圍波長(zhǎng)，因此每個(gè)像元對(duì)應(yīng)0.03nm， 艮PCCD限制的分辨率為0 · 03nm。
[0110] 3)像差的限制
[0111] 本發(fā)明采用FRED軟件用追跡的方法分析像差。FRED軟件為Photon Engineering LLC公司的產(chǎn)品，用于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析。實(shí)驗(yàn)所用版本為4.110.0版。模擬的前提是入射 到光柵上的光為準(zhǔn)平行光，不考慮光柵對(duì)光束分辨率的限制，不考慮凹面鏡表面光的散射， 不考慮雜散光的影響。通過(guò)上百條光線的追跡，計(jì)算出照射在CCD上的光斑大小。
[0112] 附圖5是光斑大小隨波長(zhǎng)變化曲線，參照附圖5,如果是準(zhǔn)平行光入射到光柵，在 (XD上的分辨率(指一個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng))最小可小至0.03nm(830nm左右），即使在870nm 也有0.12nm的分辨率。
[0113] 對(duì)不同波長(zhǎng)光會(huì)聚點(diǎn)位置的模擬實(shí)驗(yàn)表明，譜線不是規(guī)則按照CCD陣列的方向排 列成直線，而是有一定彎曲。這是由于光線的離軸造成的。附圖6是譜面彎曲情況（error bar表示光束在垂直譜面方向的半高全寬），由附圖6可以看出，在780~850nm范圍內(nèi)，光斑 集中在-ο .005~0.01mm的范圍，與CCD長(zhǎng)度ΙΙμL?接近。因此，可以認(rèn)為780~850nm的光斑大 部分都落在像元的區(qū)域內(nèi)。
[0114] 4.準(zhǔn)直光散角的限制。根據(jù)測(cè)量，準(zhǔn)直系統(tǒng)出射的準(zhǔn)直光散角約為2.7X10'得出 造成的波長(zhǎng)誤差約在0 · 2nm〇
[0115] 原位在線多尺度影像檢測(cè)
[0116] 在進(jìn)行水下檢測(cè)時(shí)，特別是在海洋生物的檢測(cè)中，由于浮游生物大都處于半透明 狀態(tài)，進(jìn)行投影成像時(shí)，為了能夠清晰成像，探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍要大;另一方面，浮游生物總 是運(yùn)動(dòng)的，海水取樣也是流動(dòng)的，所以探測(cè)器的采集速度又必須足夠快。所以在探測(cè)器的設(shè) 計(jì)上非常重要。而且，進(jìn)行原位在線多尺度的影像檢測(cè)也是大家所追求的目標(biāo)。由于在不同 深度下的光線不一樣，所以要求我們所涉及的傳感裝置既具有快速成像的特點(diǎn)又需要高分 辨成像的優(yōu)勢(shì)。
[0117] 本發(fā)明中從硬件軟件兩方面著手，研發(fā)自取樣海水成像系統(tǒng)，以達(dá)到原位在線多 尺度成像的目的。在其儀器控制系統(tǒng)中主要包括三個(gè)部分:投射光源系統(tǒng)、海水取樣系統(tǒng)、 投影成像系統(tǒng)。
[0118] 1.投射光源系統(tǒng)
[0119] 在光源控制方面，為了達(dá)到亮度、波長(zhǎng)與光束直徑上的要求。采用LED光纖的發(fā)光 體系，用濾波準(zhǔn)直的方法來(lái)投影準(zhǔn)直。
[0120] 2.海水取樣系統(tǒng)
[0121]實(shí)現(xiàn)原位在線多尺度成像方案中的一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是海水自取樣系統(tǒng)。在進(jìn)行 取樣檢測(cè)的過(guò)程中，要根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度與采集速度來(lái)控制海水樣品的流量。而且，流 體中的湍流以及散射問(wèn)題都是決定成像效果的重要因素。因此，在這個(gè)海水取樣系統(tǒng)中要 注意散射以及防湍防附著防腐蝕的技術(shù)改進(jìn)。
[0122] 3.投影成像系統(tǒng)
[0123] 在進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集以及存儲(chǔ)處理的時(shí)候，需要高速高分辨率的面陣CCD來(lái)進(jìn)行 傳感。CCD的掃描速度決定著系統(tǒng)的掃描速度，本發(fā)明選用2048個(gè)像元，最高光譜采集速度 lOOkl ine/s，光譜分辨率達(dá)0.05nm以上的高速相機(jī)。而且，為了使得成像分辨率更高，采用 伺服對(duì)焦和濾光的方法來(lái)優(yōu)化成像光路。
[0124] 本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于：
[0125] A.用光纖式弱相干干涉的方法實(shí)現(xiàn)水下聲檢測(cè)系統(tǒng)。利用聲場(chǎng)對(duì)水折射率的改變 來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)干涉系統(tǒng)中相位調(diào)控，高速線陣CCD提供的高光譜采集速度使得干涉儀對(duì)水聲 的實(shí)時(shí)響應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)。
[0126] B.高速高分辨率的光譜解調(diào)模塊對(duì)于干涉信息中的譜分析提供了有利條件。從硬 件與軟件兩個(gè)方面著手去研制干涉解調(diào)光譜儀，解調(diào)出干涉譜中的水聲信息，而且〇.〇5nm 的光譜分辨率實(shí)質(zhì)性地提高水聲分辨率和成像效果。
[0127] C.多尺度原位在線成像系統(tǒng)能得到更為全面的水下信息，使得海洋生物的研究能 取得突破性的進(jìn)展。
[0128] 這樣一套高精度的多尺度成像儀需要從以下幾個(gè)層面實(shí)施推廣：1)建立高均勻高 亮度光源模塊、全自動(dòng)消湍流取樣模塊和全景深大動(dòng)態(tài)范圍成像模塊等多種硬件模塊，為 儀器提供基礎(chǔ)硬件平臺(tái)。2)接口層構(gòu)建靈活的接口驅(qū)動(dòng)，包括光源增益控制驅(qū)動(dòng)，伺服控制 驅(qū)動(dòng)和高速圖像緩存的接口控制等。3)針對(duì)任務(wù)需求，進(jìn)行圖像評(píng)價(jià)與增強(qiáng)，獲取高質(zhì)量的 原始圖；進(jìn)行圖像校正與配準(zhǔn)，獲取多模態(tài)配準(zhǔn)的圖像數(shù)據(jù);實(shí)現(xiàn)多模態(tài)圖像分析與新特征 挖掘的圖像融合算法。4)對(duì)海洋浮游生物成像的研究成果進(jìn)行推廣示范應(yīng)用。
[0129]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(shuō)明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)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(lái)說(shuō)，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)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。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種海洋立體監(jiān)測(cè)中的水下光學(xué)檢測(cè)與成像傳感系統(tǒng)，利用光譜成像和光譜分析技 術(shù)對(duì)海洋信息進(jìn)行多維度采集，其特征在于:所述系統(tǒng)包括基于光學(xué)干涉的水聲傳感器、干 涉解調(diào)光譜儀以及多尺度原位在線成像子系統(tǒng);其中，所述基于光學(xué)干涉的水聲傳感器采 用多普勒弱相干干涉技術(shù)，所述傳感器包括寬譜光源、相位調(diào)制器、參考臂、樣品臂、光學(xué)延 遲器、光電探測(cè)器以及采集模塊;所述傳感器用于將頻域弱相干干涉與相位解調(diào)多普勒頻 移技術(shù)的結(jié)合以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高成像速度、大動(dòng)態(tài)范圍的多普勒弱相干干涉，所述采集模 塊獲得復(fù)數(shù)形式的時(shí)域Α-scan信號(hào)，然后再運(yùn)用相位解調(diào)多普勒頻移的方法得到流速分布 以及不同位置處多普勒頻譜的標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)而得到水下聲強(qiáng)度信息;所述干涉解調(diào)光譜儀，用 于解調(diào)出干涉譜中的水聲信息;所述多尺度原位在線成像子系統(tǒng)包括海水取樣模塊以及投 影成像模塊，其中，所述海水取樣模塊由伺服控制的高吸程大口徑自吸栗對(duì)樣品池進(jìn)行自 動(dòng)化取樣，從而實(shí)現(xiàn)海水的原位在線檢測(cè)與成像。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述傳感器的寬譜光源發(fā)出的光入射到一 個(gè)2X2的光纖耦合器，出射光分別入射系統(tǒng)的參考臂和樣品臂，參考臂的光被準(zhǔn)直后通過(guò) 一段距離并被平面鏡反射提供干涉所需的光學(xué)延遲，入射樣品臂的光經(jīng)過(guò)光學(xué)共焦系統(tǒng)聚 焦在待測(cè)樣品上，來(lái)自樣品的背向散射光被收集并與參考臂的返回光在耦合器里耦合，然 后耦合光在光電探測(cè)器表面發(fā)生干涉并被記錄下來(lái)，利用短時(shí)傅里葉變換或希爾伯特變換 的方法從采集到的干涉信號(hào)中提取出聲場(chǎng)產(chǎn)生的多普勒頻移，進(jìn)而得到水下聲強(qiáng)度信息。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述投影成像模塊在兩種模式下工作:快 速成像模式和高分辨成像模式，不同的模式選取不同的CCD傳感器，其中，快速成像模式采 用高速線陣(XD。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述寬普光源為高穩(wěn)定高均勻高亮度LED 或鹵素?zé)?，所述寬普光源發(fā)出的光，經(jīng)擴(kuò)散片擴(kuò)散成為照度均勻的擴(kuò)散光，再經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì) 的光學(xué)系統(tǒng)得到極為均勻的平行光，以透射樣品。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述光譜儀采用垂直Czerny-Turner結(jié)構(gòu)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)還包括用嵌入式控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 處理中心自制的一個(gè)嵌入式子系統(tǒng)，用于控制圖像采集和光譜像采集，最終獲取浮游生物 圖像信息。7. -種海洋立體監(jiān)測(cè)中的水下光學(xué)檢測(cè)與成像傳感方法，其特征在于:所述方法應(yīng)用 于根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，所述方法包括：由所述海水取樣模塊控制高吸程大 口徑自吸栗對(duì)樣品池進(jìn)行自動(dòng)化取樣，所述寬譜光源發(fā)出平行光以透射樣品，經(jīng)過(guò)所述水 聲傳感器得到干涉信號(hào)，再由所述干涉解調(diào)光譜儀解調(diào)出干涉譜中的水聲信息，最后由所 述投影成像模塊得到海洋中的浮游生物圖像。8. -種用于海洋立體監(jiān)測(cè)的水下光學(xué)水聲傳感器，其特征在于:所述水聲傳感器采用 多普勒弱相干干涉技術(shù)，所述傳感器包括寬譜光源、相位調(diào)制器、參考臂、樣品臂、光學(xué)延遲 器、光電探測(cè)器以及采集模塊;所述傳感器用于將頻域弱相干干涉與相位解調(diào)多普勒頻移 技術(shù)的結(jié)合以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高成像速度、大動(dòng)態(tài)范圍的多普勒弱相干干涉，所述采集模塊 獲得復(fù)數(shù)形式的時(shí)域A-scan信號(hào)，然后再運(yùn)用相位解調(diào)多普勒頻移的方法得到流速分布以 及不同位置處多普勒頻譜的標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)而得到水下聲強(qiáng)度信息;具體為:所述傳感器的寬譜 光源發(fā)出的光入射到一個(gè)2X2的光纖耦合器，出射光分別入射系統(tǒng)的參考臂和樣品臂，參 考臂的光被準(zhǔn)直后通過(guò)一段距離并被平面鏡反射提供干涉所需的光學(xué)延遲，入射樣品臂的 光經(jīng)過(guò)光學(xué)共焦系統(tǒng)聚焦在待測(cè)樣品上，來(lái)自樣品的背向散射光被收集并與參考臂的返回 光在耦合器里耦合，然后耦合光在光電探測(cè)器表面發(fā)生干涉并被記錄下來(lái)，利用短時(shí)傅里 葉變換或希爾伯特變換的方法從采集到的干涉信號(hào)中提取出聲場(chǎng)產(chǎn)生的多普勒頻移，進(jìn)而 得到水下聲強(qiáng)度信息。
【文檔編號(hào)】G01S15/89GK105865613SQ201610392177
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年6月3日
【發(fā)明人】王岢, 張海軍, 李旭濤, 葉允明, 徐曉飛
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院