測(cè)量懸浮顆粒沉速的雙數(shù)字全息成像裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明海洋觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種懸浮顆粒沉速測(cè)量的雙數(shù)字全息裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]沉速是指水體中顆粒下降過(guò)程中達(dá)到穩(wěn)定沉降時(shí)的速度，研究海洋中的懸浮顆粒具有重大應(yīng)用和科學(xué)意義。譬如懸浮泥沙的沉速可加深了解下泥沙在動(dòng)力要素影響下的搬運(yùn)過(guò)程、海底地貌演變機(jī)理、工程中的海底管線的泥沙掏空造成的災(zāi)害;定量觀測(cè)海水中的懸浮有機(jī)顆粒的沉速是研究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)全球碳循環(huán)的作用、海洋生物栗的機(jī)制以及生物地球化學(xué)循環(huán)等一些重大科學(xué)問(wèn)題的核心因子。
[0003]傳統(tǒng)的方法采用多層重復(fù)取水樣具有較大的缺陷，具體表現(xiàn)為:(I)由于只能采取幾個(gè)深度層面的水樣，無(wú)法獲取垂線顆粒剖面變化信息及變化拐點(diǎn)，導(dǎo)致懸浮顆粒的沉速分析誤差較大；(2)測(cè)量過(guò)程中取樣及測(cè)量的工作量較大并且過(guò)程較為繁瑣(取得的水樣需要過(guò)濾、紅蓋來(lái)測(cè)量濃度)；(3)多層采樣過(guò)程中難以保證取樣的同步性，并且采樣過(guò)程中會(huì)干擾水體動(dòng)力環(huán)境，產(chǎn)生較大的誤差。
[0004]聲波具有在水下的傳播損耗小，適于水下大空間尺度的觀測(cè)。水下聲吶通過(guò)接收懸浮顆粒動(dòng)物的反向散射強(qiáng)度信號(hào)并在聲納回波圖上對(duì)不同頻率的反向散射強(qiáng)度進(jìn)行識(shí)別以獲取懸浮顆粒的數(shù)量分布信息。近幾十年來(lái)先后發(fā)展了基于單頻、多頻以及寬帶反向散射的浮游動(dòng)探測(cè)方法。但是回波是個(gè)復(fù)雜的物理量，至今尚無(wú)法徹底了解其真實(shí)的物理模型，而近似模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際應(yīng)用存在較大的誤差;其次，水下懸浮顆粒具有多樣性的特點(diǎn)，譬如含有豐富的多類(lèi)浮游生物，容易造成基于回波強(qiáng)度識(shí)別的探測(cè)失敗或識(shí)別錯(cuò)誤。因此，基于聲學(xué)的浮游生物探測(cè)技術(shù)適于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)特定的懸浮顆粒進(jìn)行探測(cè)，在實(shí)際應(yīng)用中有待于聲學(xué)反向散射強(qiáng)度模型進(jìn)行更深入的探討，在精度、分辨率等方面需進(jìn)一
rh占羊步兀害。
[0005]激光粒度儀及濁度計(jì)可以獲取顆粒的粒徑譜或濃度信息，但是激光粒度儀適于較大顆粒的檢測(cè)，對(duì)于粒徑小于10um的粒徑難以獲取準(zhǔn)確的結(jié)果。光學(xué)濁度計(jì)用于測(cè)量懸浮泥沙濃度，但是無(wú)法細(xì)分懸浮顆粒的粒徑分布。并且激光粒度儀和光學(xué)濁度計(jì)都無(wú)法給出懸浮顆粒的形狀信息，也無(wú)法對(duì)懸浮泥沙及懸浮浮游生物及海雪等不同類(lèi)型的顆粒進(jìn)行識(shí)別。
[0006]水下光學(xué)成像方法能提供聲學(xué)方法所無(wú)法獲得的高辨率，可以記錄細(xì)微空間尺度(厘米級(jí))上浮游顆粒分布信息，提供局部尺度上浮游生物分布的近乎連續(xù)圖像，同時(shí)結(jié)合數(shù)字圖像分析方法可以快速、自動(dòng)對(duì)水體中懸浮顆粒、海雪及浮游生物進(jìn)行區(qū)分，具有其他探測(cè)方法所不可比擬的優(yōu)勢(shì)。但是基于光學(xué)成像的懸浮顆粒檢測(cè)方法:即所采用的成像方式是把浮游生物表面反射或散射的光通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)投影在成像器件CCD(Charge CoupledDevice)上，只記錄了光強(qiáng)度變化，所呈現(xiàn)的只是對(duì)真實(shí)空間場(chǎng)景從某已特定角度仿射投影的兩維(2D)圖像顯示，因此所采集的圖像不可避免的存在浮游生物與浮游生物、浮游生物與懸浮顆粒的相互重疊現(xiàn)象，帶來(lái)浮游生物目標(biāo)無(wú)法識(shí)別的問(wèn)題;其次兩維圖像無(wú)法提供懸浮顆粒在三維空間的方向變化及空間運(yùn)動(dòng)軌跡等信息。
[0007]近年來(lái)光學(xué)全息技術(shù)在水下觀測(cè)中取得了較大進(jìn)展，在光學(xué)全息立體成像過(guò)程中，三維信息是通過(guò)對(duì)光的波前干涉形式記錄下來(lái)的，觀察者不需要佩戴特殊的眼鏡即可高度清晰地看到再現(xiàn)的三維場(chǎng)景。由于空間干涉圖樣信息可以用來(lái)進(jìn)行全息圖像的再現(xiàn)，因此全息再現(xiàn)可以對(duì)任何深度的物體進(jìn)行再聚焦(可達(dá)100倍)，可以區(qū)分不同觀測(cè)平面(對(duì)圖像的觀測(cè)平面進(jìn)行移動(dòng)，使之對(duì)單個(gè)懸浮顆粒進(jìn)行聚焦觀測(cè))，而普通兩維圖像只是一次性聚焦；同時(shí)，全息圖像顯示的是懸浮顆粒三維立體圖像，直接給出符合人眼視差效應(yīng)的透視信息，并且在大景深內(nèi)具有較高的圖像分辨率和較寬的動(dòng)態(tài)記錄范圍；其次，全息圖像在一次性成像記錄中可以記錄大空間觀測(cè)范圍信息(幾千至百萬(wàn)立方厘米)，使得測(cè)量浮游生物的尺寸大小以及相關(guān)位置、空間分布狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)速度等生態(tài)觀測(cè)研究的開(kāi)展成為可能，為揭示水下懸浮顆粒、浮游生物等動(dòng)態(tài)過(guò)程提供了新的非接觸式觀測(cè)手段。
[0008]傳統(tǒng)的同軸激光全息成像裝置，采用單個(gè)相機(jī)對(duì)某一觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行全息成像，每個(gè)成像系統(tǒng)采用一個(gè)激光器作為干涉光源。單個(gè)同軸激光全息成像裝置的成像范圍有限，一般是成像器件的尺寸，譬如I英寸的成像靶面成像范圍為12.7mmX9.6mm。通常在懸浮顆粒沉速測(cè)量中，需要測(cè)量垂直方向上懸浮顆粒沉降的距離和時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算沉速，因此需要至少兩臺(tái)以上的全息成像裝置對(duì)不同層高度面的懸浮顆粒進(jìn)行測(cè)量。采用兩臺(tái)激光全息成像裝置，需要兩臺(tái)激光器，將消耗較大的電源功率，給基于電池供電的水下儀器帶來(lái)需攜帶大量電池，導(dǎo)致體積大、投入成本高的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明采用提供一種懸浮顆粒沉速測(cè)量的雙數(shù)字全息成像裝置，其通過(guò)三角棱鏡和反射鏡構(gòu)成了單光源，實(shí)現(xiàn)雙光路成像的懸浮顆粒全息成像，該全息成像裝置有效的利用一個(gè)激光干涉光源，提供相同質(zhì)量的干涉光，利用兩臺(tái)以太網(wǎng)相機(jī)在一定距離間隔的位置進(jìn)行懸浮顆粒沉速、形狀以及空間軌跡的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)垂線方向上不同高度的區(qū)域進(jìn)行同時(shí)成像，利用目前成熟的圖像匹配處理商品化軟件，可以獲取不同高度層面的懸浮顆粒變化狀態(tài)，為現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)測(cè)量垂線方向懸浮顆粒以及浮游生物或絮凝物的沉速提供一種新的無(wú)干擾觀測(cè)方式，拓展了應(yīng)用范圍。不但可以用于懸浮顆粒形狀對(duì)與沉速的關(guān)系的觀測(cè)，而且還可以用于懸浮顆粒在沉降過(guò)程與絮凝物聚合的過(guò)程、湍流對(duì)懸浮顆?？臻g運(yùn)動(dòng)軌跡影響的分析。
[0010]基于此，本發(fā)明提供一種單激光器懸浮顆粒沉速測(cè)量的雙數(shù)字全息成像裝置，其包括一個(gè)激光器、一個(gè)準(zhǔn)直擴(kuò)束透鏡、一個(gè)三角棱鏡、兩個(gè)反射鏡和兩臺(tái)相機(jī)，激光器通過(guò)一個(gè)準(zhǔn)直擴(kuò)束透鏡轉(zhuǎn)換為一束平行光，三角棱鏡和兩個(gè)反射鏡將來(lái)自準(zhǔn)直擴(kuò)束透鏡的光束分離成兩路一定距離間隔的干涉光，干涉光經(jīng)過(guò)觀測(cè)水體到達(dá)兩臺(tái)相機(jī)成像，從而同步記錄兩組全息圖像。
[0011 ]所述數(shù)字全息裝置還包括濾波器，該濾波器具體由顯微物鏡和針孔組成，通過(guò)該濾波器形成一個(gè)點(diǎn)光源干涉球面波。
[0012]所述三角棱鏡鍍有反射膜，將平行光變?yōu)閮墒饴罚宦犯淖児獾膫鞑シ较?，旋轉(zhuǎn)90度角向上傳播;另一路將光的傳播方向旋轉(zhuǎn)-90度向下傳播。
[0013]經(jīng)過(guò)三角棱鏡的兩束光分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)反射鏡再次改變傳播方向，成為兩束水平傳播的光束，兩束光束經(jīng)過(guò)觀測(cè)空間到達(dá)兩臺(tái)相機(jī)進(jìn)行成像，每個(gè)反射鏡與水平位置的夾角為45度。
[0014]兩臺(tái)相機(jī)高度上相隔一定的距離。
[0015]所述數(shù)字全息裝置還包括以太網(wǎng)線、以太網(wǎng)交換機(jī)和嵌入式圖像采集器，所述兩臺(tái)相機(jī)為以千兆太網(wǎng)接口相機(jī)，通過(guò)以太網(wǎng)線與以太網(wǎng)交換機(jī)連接，利用千兆以太網(wǎng)的多度同步采集功能，采用嵌入式圖像采集器即可同時(shí)記錄兩臺(tái)相機(jī)的圖像。
[0016]所述激光器具體為相干激光器光源。
[0017]所述激光器、顯微物鏡，針孔，準(zhǔn)直透鏡，三角棱鏡和兩個(gè)反射鏡安置在一個(gè)T形的水密艙內(nèi)。
[0018]經(jīng)過(guò)兩個(gè)反射鏡的兩條平行光束通過(guò)水密艙的光學(xué)水密窗口傳遞到相機(jī)。
[0019]所述兩個(gè)相機(jī)也分別安裝在一個(gè)水密艙中。
[0020]所述以太網(wǎng)交換器、嵌入式圖像采集器也安裝在一個(gè)圖像采集水密艙中，該圖像采集水密艙還裝有電池，為激光器，相機(jī)以及圖像采集器提供電能。
[0021]本發(fā)明的有益效果:
[0022]本發(fā)明提供的單干涉光懸浮顆粒沉速測(cè)量的雙數(shù)字全息成像裝置，通過(guò)三角棱鏡和反射鏡構(gòu)成了單光源，雙干涉光路成像的懸浮顆粒全息成像裝置。該全息裝置有效的利用一個(gè)激光干涉光源，提供同樣質(zhì)量的干涉光，利用兩臺(tái)以太網(wǎng)相機(jī)實(shí)現(xiàn)一定距離間隔的懸浮顆粒沉速、形狀以及空間軌跡的監(jiān)測(cè)，可以對(duì)垂線方向上不同高度的區(qū)域進(jìn)行同時(shí)成像，利用目前成熟的圖像匹配處理方法，可以獲取不同高度層面的懸浮顆粒變化狀態(tài)，為現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)測(cè)量垂線方向懸浮顆粒以及浮游生物或絮凝物的沉速提供一種新的無(wú)干擾觀測(cè)方式，提高了應(yīng)用范圍。采用了以太網(wǎng)接口的數(shù)字相機(jī)，省卻了需要匹配專用圖像采集卡的需求，降低了成像裝置的成本。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1-單激光器懸浮顆