專利名稱：一種用于海洋湍流參數(shù)的非接觸測量的成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及海洋湍流參數(shù)測量領(lǐng)域，特別涉及一種海洋湍流參數(shù)非接觸測量的成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，水下成像探測被廣泛應(yīng)用于水下目標(biāo)探測、水下地形地貌觀測等各個(gè)領(lǐng)域，為人類研究海洋生物、海洋環(huán)境提供了強(qiáng)有力的研究手段。但是，現(xiàn)在有關(guān)激光成像距離和像質(zhì)的報(bào)道，多是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下受控的靜態(tài)水體條件下獲得的。對于復(fù)雜海洋條件下的激光成像探測，不僅難以達(dá)到靜態(tài)水體條件下的最大探測距離，而且像質(zhì)的影響機(jī)制 也不盡相同。在真實(shí)海洋環(huán)境中，湍流成為影響激光水下成像距離和像質(zhì)的重要因素。由于受到了水下湍流的影響，光在水下傳輸時(shí)會從不同位置穿過湍流，導(dǎo)致前進(jìn)方向發(fā)生變化，影響被測目標(biāo)上的照度分布，并且被測目標(biāo)反射的光波將會再次透過湍流傳輸。這將會導(dǎo)致成像質(zhì)量受到了圖像扭曲、圖像噪聲等的影響。對于水下激光探測系統(tǒng)來說，這會嚴(yán)重影響到光束的成像質(zhì)量。因此，研究海洋湍流對水下成像系統(tǒng)的影響是十分必要的。探測海洋湍流可以建立一個(gè)湍流折射率模型，得到湍流的光學(xué)傳遞函數(shù)，建立水下湍流模型，這對于研究水下成像探測以及圖像恢復(fù)有重要的作用。由于海洋湍流擴(kuò)散過程的隨機(jī)性，并要受到海區(qū)水文氣象以及季節(jié)等多種因素的影響，至今還沒有一個(gè)比較滿意的普適理論。在實(shí)驗(yàn)方面的研究中，探測海洋湍流所使用的方法主要運(yùn)用的技術(shù)為海洋觀測技術(shù)，依賴于聲學(xué)多普勒流速剖面儀、三維高頻點(diǎn)式流速儀、湍流微尺度剖面儀以及高精度溫鹽深剖面儀，這種方法多用于研究海洋湍流混合科學(xué)領(lǐng)域。其中，剪切流傳感器是一種湍流微尺度剖面儀，專門研究海洋湍流微結(jié)構(gòu)的探測器，主要是測量得到湍流動能耗散率。這種探測方法屬于接觸式的測量，剪切流傳感器安裝在其專用載體上，跟隨載體以一定的速度在海水中運(yùn)動，運(yùn)動過程中剪切流傳感器內(nèi)部的壓電陶瓷片對海洋微結(jié)構(gòu)湍流的水平或豎直方向的脈動進(jìn)行測量，再根據(jù)海水粘度、載體運(yùn)動速度等物理量可以得到所測量區(qū)域的海水微結(jié)構(gòu)湍流耗散率。在湍流探測中，最核心的部分就是得到湍流的結(jié)構(gòu)參數(shù)。目前測量湍流的結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法主要是溫度脈動法，其是通過測量溫度起伏來獲得湍流折射率起伏特性的間接測量方法，其前提在于折射率的起伏特性完全取決于溫度的起伏特性。這種方法的不足之處在于一、使用溫度脈動法探測海洋湍流具有一定的局限性。首先海洋湍流受到的影響比較復(fù)雜，水的折射率與密度、溫度、壓強(qiáng)、鹽度以及波長有關(guān)，不能單一的使用溫度影響來代替；其次，這種溫度脈動法空間分布率和時(shí)間分布率有限，海洋湍流的尺寸從mm量級到km量級廣泛分布，溫度脈動法在測量小尺寸湍流時(shí)不能滿足要求；第三，溫度脈動法的原理導(dǎo)致它不可避免的會對湍流結(jié)構(gòu)造成一定的擾動，對于探測工作帶來不可避免的誤差。目前還出現(xiàn)了利用光學(xué)的方法特別是通過激光測量湍流結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法，這種方法具有精度高、不破壞湍流結(jié)構(gòu)以及可連續(xù)探測的優(yōu)點(diǎn)，但是現(xiàn)有的湍流探光學(xué)方法都是用于探測大氣湍流的探測器，大氣湍流和海洋湍流的影響要素存在著很大的不同，表征湍流結(jié)構(gòu)的參數(shù)也不同，因此在測量方法和處理數(shù)據(jù)的方法上不能采用相同的方法，并且由于海洋中存在470-580nm的通光窗口，這種并不適用于海洋湍流的探測。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于海洋湍流的非接觸式測量的成像系統(tǒng)，利用激光成像的方式，在不破壞湍流結(jié)構(gòu)的前提下探測到海洋湍流結(jié)構(gòu)參數(shù)。為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案一種用于海洋湍流的費(fèi)非接觸探測的成像系統(tǒng)，其特征在于，該成像系統(tǒng)包括脈沖激光發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，用于產(chǎn)生能量分布均勻化的光波；
條紋目標(biāo)板，與所述脈沖激光發(fā)射機(jī)系統(tǒng)相對設(shè)置，待測量的湍流其上分布有黑白間隔的矩形條紋，所述光波穿過待測的海洋湍流到達(dá)該條紋目標(biāo)上后被反射；接收機(jī)系統(tǒng)，所述反射光波穿過該待測的海洋湍流后被其接收和采集，獲得海洋湍流的遙感圖像信息。作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述的接收機(jī)系統(tǒng)包括窄帶濾光片、望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)和ICCD,反射光波經(jīng)所述窄帶濾光片和望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)后匯聚到ICCD焦平面上，采集匯聚的信號即可獲取湍流的遙感圖像信息。作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，脈沖激光發(fā)射機(jī)系統(tǒng)包括激光器、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和毛玻璃，激光器發(fā)射的探測激光經(jīng)該發(fā)射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)擴(kuò)束后，入射到毛玻璃上，該毛玻璃將激光均勻化，以入射到海洋湍流中。在發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中，脈沖激光器發(fā)出脈沖光波，經(jīng)由開普勒望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束后，經(jīng)過毛玻璃對其光波能量分布均勻化。均勻化后的光波通過待測海洋湍流到達(dá)位于湍流底部的黑白矩形條紋板，并產(chǎn)生反射，反射光波將再次穿過海洋湍流返回。在接收機(jī)系統(tǒng)中，反射光波經(jīng)過窄帶濾光片后入射到凸透鏡上，然后被凸透鏡匯聚到像增強(qiáng)器焦平面上，被像增強(qiáng)器放大的信號被C⑶采集，并傳送至圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其中，激光光波傳輸過程中產(chǎn)生的后向散射光在到達(dá)接收系統(tǒng)時(shí)，由于采用了距離選通技術(shù)，增強(qiáng)型電荷耦合器IC⑶中的選通門處于關(guān)閉狀態(tài)，使得后向散射光無法通過接收光學(xué)系統(tǒng)，無法被CCD所接收。當(dāng)目標(biāo)條紋板的反射光波信號到達(dá)ICCD時(shí)，選通門處于開啟狀態(tài)，CCD接收的是反射光波信號，從而有效的避免了后向散射光的干擾。本實(shí)用新型中成像系統(tǒng)得到的圖像信息中包含著湍流和探測設(shè)備相關(guān)的信息，對這些信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理就可以得到湍流的調(diào)制傳遞函數(shù)，繼而反演出湍流的折射率分布來表征湍流結(jié)構(gòu)。對任意目標(biāo)的反射圖像進(jìn)行頻譜分析是非常困難的，一般是選擇人工布設(shè)目標(biāo)，成像質(zhì)量較高，有利于較為精確的測量和分析調(diào)制傳遞函數(shù)。本實(shí)用新型中使用已知頻譜的矩形黑白條紋作為目標(biāo)物，分析調(diào)制傳遞函數(shù)方法采用刀刃法。當(dāng)然也可以采用其他方法進(jìn)行計(jì)算，例如脈沖法、正弦輸入法和點(diǎn)脈沖法等。進(jìn)行海洋湍流測量時(shí)，首先利用成像系統(tǒng)中的脈沖激光器探測海洋湍流，獲得探測器與被測目標(biāo)之間的湍流遙感圖像信息；其次，對所獲得的圖像信息進(jìn)行分析，得到湍流的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF ;然后，將測量得到的所述湍流的調(diào)制傳遞函數(shù)進(jìn)行反演，從而得到海洋湍流的結(jié)構(gòu)參數(shù)。[0017]獲得湍流遙感圖像信息的具體步驟如下成像系統(tǒng)的脈沖激光器發(fā)射脈沖光波，穿過待測海洋湍流到達(dá)位于另一側(cè)的條紋目標(biāo)板后產(chǎn)生反射，反射光波再次穿過海洋湍流返回，通過接收裝置接收，即可獲得海洋湍流的湍流遙感圖像。接收裝置中設(shè)置有增強(qiáng)型電荷耦合器(ICCD)，其通過選通門控制該增強(qiáng)型電荷耦合器(ICCD)接收目標(biāo)反射光波并阻擋后向散射光，從而獲得湍流遙感圖像信息。湍流的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTFturtulenee)通過如下公式計(jì)算得到MTFtotal = MTFequipment X MTF
turtulence其中，MTFequipmen為成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，MTFtotal為成像系統(tǒng)在探測海洋湍流時(shí)的調(diào)制傳遞函數(shù)。成像系統(tǒng)在探測海洋湍流時(shí)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTFttrtal通過刀刃法計(jì)算得到，刀刃法主要是利用亮度突變區(qū)來提取邊緣并計(jì)算MTF。刀刃法計(jì)算MTF的步驟為I)根據(jù)邊緣成像的灰度分布擬合出邊緣擴(kuò)展函數(shù)曲線ESF。2)對邊緣擴(kuò)展函數(shù)曲線一次求導(dǎo)，得出線擴(kuò)展函數(shù)曲線。3)對線擴(kuò)展函數(shù)曲線做傅里葉變換得到MTF曲線。探測海洋湍流系統(tǒng)所得到的信息經(jīng)過上述數(shù)據(jù)處理，得到的成像系統(tǒng)總的調(diào)制傳遞函數(shù)MTFttrta該總的調(diào)制傳遞函數(shù)MTFttrta不僅包括探測設(shè)備的MTFequipm,而且包括湍流的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF—。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的MTF計(jì)算公式為MTFtotal = MTFequipment X MTF
turtulence使用同一套設(shè)備，將海洋湍流部分使用靜止空氣替代，利用探測系統(tǒng)測量出的MTF即為探測設(shè)備的MTF，也就是MTFequipment。最終通過計(jì)算可以得出湍流的調(diào)制傳遞函數(shù)
MTFturtulence 通過對海洋湍流的調(diào)制傳遞函數(shù)MTFturt-進(jìn)行反演以得到海洋湍流的結(jié)構(gòu)參數(shù)。反演步驟中，先預(yù)先建立海洋湍流結(jié)構(gòu)參數(shù)與湍流調(diào)制傳遞函數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，然后將探測得到的所述湍流的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTFtrtulmcJ與上述關(guān)系進(jìn)行對比，即可確定出海洋瑞流結(jié)構(gòu)參數(shù)。對應(yīng)關(guān)系建立的具體過程為首先，模擬各種海洋湍流的折射率分布，獲得對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；然后獲得各種海洋湍流的湍流調(diào)制傳遞函數(shù)；最后，建立海洋湍流結(jié)構(gòu)參數(shù)與湍流調(diào)制傳遞函數(shù)的一一對應(yīng)關(guān)系。本實(shí)用新型使用流體動力學(xué)模擬理論海洋湍流的折射率分布，其中理論海洋湍流的模型本實(shí)施例優(yōu)選使用RNGk - ε模型，當(dāng)然可以使用其他的理論海洋湍流模型，例如標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型、Κ-ω模型等。利用光線追跡方法推導(dǎo)理論海洋湍流的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF;建立海洋湍流結(jié)構(gòu)參數(shù)一一對應(yīng)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF的數(shù)據(jù)庫；使用數(shù)據(jù)庫信息將實(shí)際測量得到的MTFturt-進(jìn)行反演，即可得到海洋湍流的結(jié)構(gòu)參數(shù)。本實(shí)用新型的海洋湍流的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選為RNGk - ε湍流模型中的結(jié)構(gòu)參數(shù)，RNGk - ε湍流模型可用于處理高應(yīng)變率以及流線彎曲程度較大的流動，其方程中的結(jié)構(gòu)參數(shù)適合用來表征海洋湍流的結(jié)構(gòu)特征。采用刀刃法對圖像的要求較為簡單，只要有亮度突變的刀刃區(qū)即可達(dá)到要求。尤其是探測海洋湍流時(shí)，所得到的圖像不如在實(shí)驗(yàn)室條件下得到的圖像理想，但是尋找刀刃邊緣相對容易。并且利用刀刃法處理數(shù)據(jù)更加快捷，結(jié)合計(jì)算流體學(xué)方法的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的測量海洋湍流。相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是其一，本實(shí)用新型采用的是非接觸式的方式，利用激光成像的原理，結(jié)合距離選通技術(shù)，可以在不接觸湍流不破壞湍流結(jié)構(gòu)的前提下，精確的探測到海洋湍流的圖像信息。根據(jù)這些圖像信息，采用頻譜比較法和傅里葉變換，就可以得到海洋湍流的調(diào)制傳遞函數(shù)，進(jìn)而反演出海洋湍流的結(jié)構(gòu)參數(shù)，達(dá)到非接觸式探測海洋湍流參數(shù)的目的。其二，本實(shí)用新型基于激光成像的方法，采用了激光主動照明探測，利用藍(lán)綠脈沖激光器產(chǎn)生藍(lán)綠光波對湍流底部的黑白矩形條紋板進(jìn)行成像。同時(shí)采用了距離選通技術(shù)，極大的提高了成像質(zhì)量，使得探測數(shù)據(jù)更加精確可信。這種成像的方法相比較傳統(tǒng)的探測 湍流方法優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)果直觀、便于處理和理解，圖像空間分辨率高，并且可以客服時(shí)間上和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響。其三，本實(shí)用新型中處理數(shù)據(jù)的方法具有快速準(zhǔn)確的特點(diǎn)，探測器直接得到的是目標(biāo)的反射圖像信息，由于采用的是主動目標(biāo)，利用頻譜比較分析方法以及CFD模擬仿真相結(jié)合的方法，可以快速準(zhǔn)確的獲取信息并處理數(shù)據(jù)上，精確的得到海洋動態(tài)湍流結(jié)構(gòu)的參數(shù)，相比較以往傳統(tǒng)的方法更加簡便準(zhǔn)確。其四，本實(shí)用新型中采用了光學(xué)方法測量海洋湍流結(jié)合計(jì)算流體動力學(xué)的方法，這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)精確的、可連續(xù)性測量，能夠得到實(shí)時(shí)的海洋湍流結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)的探測方法具有更大的優(yōu)勢。

圖I為本實(shí)用新型的湍流探測示意圖。圖2為本實(shí)用新型的探測系統(tǒng)在一個(gè)方向的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實(shí)用新型的探測系統(tǒng)在另一個(gè)方向的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實(shí)用新型的探測海洋湍流結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法流程圖。圖5為本實(shí)用新型的刀刃法計(jì)算MTF流程圖。圖6為本實(shí)用新型的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為本實(shí)用新型的接收光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中I為脈沖激光發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，2為脈沖激光器，3為開普勒望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)，4為毛玻璃，5為人工布設(shè)條紋目標(biāo)板,6為接收機(jī)系統(tǒng),7為窄帶濾光片,8為伽利略望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)，9為增強(qiáng)型電荷耦合器ICCD，10為固定導(dǎo)軌，11為設(shè)備底座，12為連接件。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。本實(shí)施例中的一種激光成像的海洋湍流探測的成像系統(tǒng),該成像系統(tǒng)包括發(fā)射機(jī)系統(tǒng)I、人工布設(shè)條紋目標(biāo)板5和接收機(jī)系統(tǒng)6。發(fā)射機(jī)系統(tǒng)I中包含激光器2、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)3和毛玻璃4。激光器2發(fā)射的探測激光經(jīng)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)3擴(kuò)束后，入射到毛玻璃4上，毛玻璃4可以將呈高斯分布的激光均勻化。均勻化后的探測激光入射到海洋湍流中。[0051]本實(shí)施例中的激光器2優(yōu)選采用Nd =YAG脈沖激光器，波長1064nm，倍頻后波長532nm。控制方式選擇電光調(diào)Q。激光單脈沖能量80mJ，脈沖脈寬10ns。本實(shí)施例中的發(fā)射望遠(yuǎn)系統(tǒng)3為優(yōu)選開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)，如圖6所示。折射望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量比較好，視場大，使用方便，易于維護(hù)。因單透鏡物鏡球差較嚴(yán)重，望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)采用兩塊透鏡組作物鏡。這種雙透鏡物鏡由相距很近的一塊冕牌玻璃制成的凸透鏡和一塊火石玻璃制成的凹透鏡組成，可以一定程度上消去球差和彗差。發(fā)射望遠(yuǎn)系統(tǒng)的擴(kuò)束倍數(shù)為3飛倍，物鏡和目鏡均為孔徑為25mm。焦距按照擴(kuò)束倍數(shù)適當(dāng)選擇。布設(shè)目標(biāo)5設(shè)置位于湍流另一側(cè)，該人工布設(shè)目標(biāo)5為黑白條紋板，條紋分布為均勻化的矩形排列。人工布設(shè)目標(biāo)5的目標(biāo)板材料優(yōu)選為PVC。均勻化的光波對目標(biāo)的成像信息更易于分析和計(jì)算?！0054]探測激光穿過海洋湍流后入射到布設(shè)目標(biāo)5上，經(jīng)反射的反射光穿過海洋湍流后被接收機(jī)系統(tǒng)6接收。接收機(jī)系統(tǒng)6包括接收光學(xué)系統(tǒng)8、濾光片7、增強(qiáng)型電荷稱合器ICXD9。濾光片7主要工作用來過濾輸入光線中不同頻率波長光訊號，以傳送至增強(qiáng)型電荷耦合器ICCD9，并且避免不同頻率訊號干擾到光電探測器的判讀。窄帶濾光片7可以從入射光中，選取特定的波長。窄帶濾光片7可以把背景光過濾降低，以減小背景光噪聲的影響，提高系統(tǒng)的信噪比。在本實(shí)施例中，在接收光學(xué)透鏡系統(tǒng)8前加入的窄帶濾光片優(yōu)選峰值透過率50%，對于噪聲為O. 01%，譜寬lnm。反射光經(jīng)濾光片7進(jìn)行過濾后輸入到接收光學(xué)透鏡8中進(jìn)行光束匯聚處理后輸出。本實(shí)施例中的接收光學(xué)透鏡8優(yōu)選采用伽利略光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，如圖7所示。其結(jié)構(gòu)簡單，光能損失少，并且鏡筒短，很輕便。物鏡和目鏡均為孔徑為25mm，焦距根據(jù)聚焦的效果進(jìn)行選定。接收光學(xué)透鏡8輸出的光束輸入到增強(qiáng)型電荷耦合器ICCD9中，進(jìn)行信號的放大以及光電轉(zhuǎn)換，得到海洋湍流的圖像信息，通過對圖像的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF進(jìn)行計(jì)算并反演，最后得到海洋湍流的結(jié)構(gòu)參數(shù)。本實(shí)施例中的增強(qiáng)型電荷耦合器ICXD9適用于采用距離選通技術(shù)的激光成像系統(tǒng)中。距離選通技術(shù)是使用脈沖激光器和選通攝像機(jī)，利用時(shí)間的先后分開不同距離上的散射光和目標(biāo)的反射光，使得由目標(biāo)反射回來的信號在選通工作的時(shí)間內(nèi)到達(dá)攝像機(jī)并成像。對于納秒級別的脈沖激光，要想獲得主動成像目標(biāo)的選通圖像，接收成像器件必須要具備快速選通的功能。一般的CCD攝像機(jī)的幀掃描周期為毫秒量級，激光脈沖為納秒量級，這樣就導(dǎo)致部分的目標(biāo)反射信號可能丟失，極大的影響了探測的能力。為了達(dá)到激光主動成像系統(tǒng)使用距離選通技術(shù)的目的，需要在CXD前安置選通成像增強(qiáng)器，選通成像增強(qiáng)器起至IJ 了快門作用，同時(shí)又補(bǔ)償了由于CCD積分時(shí)間降低而引起的有效靈敏度降低。CCD攝像機(jī)通過光纖與成像增強(qiáng)器相連，就構(gòu)成了增強(qiáng)型電荷耦合器IC⑶9。采用增強(qiáng)型電荷耦合器ICCD9和激光器構(gòu)成的激光距離選通成像系統(tǒng)可以很方便地實(shí)現(xiàn)選通，并且快門開啟時(shí)間越短，距離分辨率就越高。其參考性能技術(shù)指標(biāo)有最小門寬2ns，光譜范圍125 900nm，有效像元數(shù)可達(dá)到1380X1024，光電陰極的量子效率達(dá)50%。在利用上述成像系統(tǒng)進(jìn)行海洋湍流探測時(shí)，首先利用脈沖激光器2探測海洋湍流，獲得增強(qiáng)型電荷耦合器ICCD9與被測目標(biāo)5之間的湍流遙感圖像信息。本實(shí)施例中采用脈沖激光器2發(fā)射脈沖光波，經(jīng)由開普勒望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)3擴(kuò)束后，毛玻璃4對其光波能量的分布均勻化。均勻化后的光波通過待測海洋湍流到達(dá)位于湍流另一側(cè)的人工布設(shè)條紋目標(biāo)板5，并產(chǎn)生反射，反射光波將再次穿過海洋湍流返回。在接收機(jī)系統(tǒng)6中，反射光波經(jīng)過窄帶濾光片7后穿過伽利略望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)8，被匯聚到增強(qiáng)型電荷耦合器ICCD9的像增強(qiáng)器焦平面上，采集像增強(qiáng)器放大的信號來獲取湍流遙感圖像信息。在此成像過程中采用了距離選通成像技術(shù)，借助增強(qiáng)型電荷耦合器ICCD9中的選通門，有效的避免了后向散射光的影響，極大提高了成像的質(zhì)量，使得測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。條紋目標(biāo)板5的條紋優(yōu)選為黑白色并呈矩形分布。利用激光成像的方法探測海洋湍流相比較傳統(tǒng)的光學(xué)方法來說，更是具有結(jié)果直觀易于分析的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合距離選通技術(shù)，可以有效的避免了后向散射光的影響，極大提高了成像的質(zhì)量，使得測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。 第二步，對所獲得的圖像信息進(jìn)行分析，得到上述所探測湍流的調(diào)制傳遞函數(shù)MTFt0talo本實(shí)用新型中通過調(diào)制傳遞函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對海洋湍流結(jié)構(gòu)參數(shù)的探測。本實(shí)施例中對圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到調(diào)制傳遞函數(shù)MTF時(shí)優(yōu)選采用的方法是刀刃法，也可以用其他計(jì)算方法。刀刃法計(jì)算MTF的步驟為I)根據(jù)邊緣成像的灰度分布擬合出邊緣擴(kuò)展函數(shù)曲線ESF。2)對邊緣擴(kuò)展函數(shù)曲線一次求導(dǎo)，得出線擴(kuò)展函數(shù)曲線。3)對線擴(kuò)展函數(shù)曲線做傅里葉變換得到MTF曲線。探測海洋湍流系統(tǒng)所得到的圖像經(jīng)過上述數(shù)據(jù)處理，得到MTFt(rtal。對整個(gè)探測海洋湍流系統(tǒng)的MFttrtal有MTFtotal = MTFequipmentXMTF
turtulenceMTFtotal是成像探測系統(tǒng)在探測海洋湍流時(shí)得到的調(diào)制傳遞函數(shù)，MTFequipment是成像探測系統(tǒng)本身的調(diào)制傳遞函數(shù)，MTFt u rtulence是海洋湍流的調(diào)制傳遞函數(shù)。使用同一套設(shè)備，將海洋湍流部分使用靜止空氣替代，利用探測系統(tǒng)測量出探測設(shè)備本身的MTF_一。最終通過計(jì)算可以得出湍流的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF—。第三步，將測量得到的所述湍流的調(diào)制傳遞函數(shù)MTFtrtulenee進(jìn)行反演，從而得到海洋湍流的結(jié)構(gòu)參數(shù)。反演的過稱如下I)借助RNG K - ε湍流模型，使用計(jì)算流體動力學(xué)模擬理論海洋湍流的折射率分布；本實(shí)施例中優(yōu)選采用RNGk- ε湍流模型，也可以采用其他湍流模型，只要能夠模擬出海洋湍流的折射率分布即可。2)利用光線追跡方法推導(dǎo)理論理論海洋湍流的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF ；3)建立海洋湍流結(jié)構(gòu)參數(shù)一一對應(yīng)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF的數(shù)據(jù)庫；4)使用數(shù)據(jù)庫信息將實(shí)際測量得到的MTFturtulenee進(jìn)行反演，即可得到海洋湍流的結(jié)構(gòu)參數(shù)。本實(shí)施例中結(jié)構(gòu)參數(shù)為RNGk - ε湍流模型中的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
權(quán)利要求1.一種用于海洋湍流參數(shù)的非接觸測量的成像系統(tǒng)，其特征在于，該成像系統(tǒng)包括 脈沖激光發(fā)射機(jī)系統(tǒng)(I )，用于產(chǎn)生能量分布均勻化的光波； 條紋目標(biāo)板(5)，與所述脈沖激光發(fā)射機(jī)系統(tǒng)(I)相對設(shè)置，待測量的湍流其上分布有黑白間隔的矩形條紋，所述光波穿過待測的海洋湍流到達(dá)該條紋目標(biāo)上后被反射； 接收機(jī)系統(tǒng)(6)，所述反射光波穿過該待測的海洋湍流后被其接收和采集，獲得海洋湍流的遙感圖像信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的接收機(jī)系統(tǒng)(6)包括窄帶濾光片(7)、望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)(8)和ICXD (9)，反射光波經(jīng)所述窄帶濾光片(7)和望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)(8)后匯聚到ICCD焦平面上，采集匯聚的信號即可獲取湍流的遙感圖像信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的成像系統(tǒng)，其特征在于，脈沖激光發(fā)射機(jī)系統(tǒng)(I)包括激光器(2)、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(3)和毛玻璃(4)，激光器(2)發(fā)射的探測激光經(jīng)該發(fā)射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(3)擴(kuò)束后，入射到毛玻璃(4)上，該毛玻璃(4)將激光均勻化，以入射到海洋湍流中。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于海洋湍流參數(shù)的非接觸測量的成像系統(tǒng)，包括脈沖激光發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，用于產(chǎn)生能量分布均勻化的光波；條紋目標(biāo)板，與脈沖激光發(fā)射機(jī)系統(tǒng)相對設(shè)置，光波穿過待測的海洋湍流到達(dá)該條紋目標(biāo)上后被反射；接收機(jī)系統(tǒng)，反射光波穿過該待測的海洋湍流后被其接收和采集，獲得海洋湍流的遙感圖像信息。本實(shí)用新型利用激光成像的方式，能夠在不破壞湍流結(jié)構(gòu)的前提下探測到海洋湍流結(jié)構(gòu)參數(shù)。
文檔編號G01M10/00GK202693258SQ201220351528
公開日2013年1月23日 申請日期2012年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月19日
發(fā)明者楊克成, 孫立穎, 夏珉, 李微 申請人:華中科技大學(xué)