本發(fā)明屬于光學成像技術領域，具體地說是一種浮游生物體成像設備。

背景技術：

浮游生物是水體生物系統(tǒng)生產(chǎn)過程的核心之一，是生態(tài)系統(tǒng)中重要的類群，是水體食物網(wǎng)的基礎和關鍵組成部分。由于浮游生物的復雜特點，當前浮游生物觀測研究面臨的技術難題，是難以在大范圍的時空尺度上快速測量其種類組成和數(shù)量的變化。

目前，利用圖像處理和模式識別技術進行浮游生物的自動分類與計數(shù)已成為長時間序列海洋浮游生物研究的熱點。水中原位成像系統(tǒng)迅速發(fā)展，應用較為廣泛的有水下視頻剖面儀(underwatervideoprofiler，uvp)和浮游生物視頻記錄器(videoplanktonrecorder，vpr)。這兩種系統(tǒng)均采用光學成像手段，對浮游生物體的大小、形狀和紋理進行分析，可實現(xiàn)形態(tài)不同的類群鑒別。由于某些浮游生物門類在個體發(fā)育過程中會出現(xiàn)顯著的形態(tài)變化，并且存在幾種不同的浮游生物疊加在一張圖像的現(xiàn)象，尤其對于共生生物的圖像處理技術尚未得到有效解決，浮游生物體的鑒別精度有待于提高。相對于普通光源的成像技術，偏振光成像可以獲得生物體的細胞生理方面信息。鑒別浮游生物的類群，不僅需要判別其大小、形狀以及其他形態(tài)，其生物體的內(nèi)部結構因素也應考慮。因此，對浮游生物開展偏振成像探測，分析其光散射和吸收特性，解決浮游生物圖像信息不清晰造成門類鑒別錯誤的問題，有助于對海洋浮游生物甚至海洋生態(tài)環(huán)境的研究。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于偏振光散射和吸收機理的浮游生物體成像設備，用于水體中浮游生物體偏振成像信息的采集，解決浮游生物圖像信息不清晰造成門類鑒別錯誤的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種浮游生物偏振成像儀，包括設備外殼及設置于所述設備外殼內(nèi)的偏振檢測光路系統(tǒng)、供電控制器、進樣室、傳感器集成艙及圖像采集器，其中設備外殼內(nèi)設有光路通道，所述偏振檢測光路系統(tǒng)設置于所述光路通道內(nèi)，所述供電控制器、傳感器集成艙及圖像采集器設置于所述光路通道的外側，所述進樣室設置于所述傳感器集成艙內(nèi)、并且底部嵌設于所述光路通道內(nèi)，所述偏振檢測光路系統(tǒng)用于對所述進樣室內(nèi)的浮游生物體偏振成像，所述圖像采集器用于將偏振檢測光路系統(tǒng)捕獲的圖像進行采集和存儲，所述供電控制器用于為偏振檢測光路系統(tǒng)和傳感器集成艙提供電源。

所述偏振檢測光路系統(tǒng)包括沿光路依次設置的單模激光二極管、針孔濾波器、透鏡、起偏器、水體測樣窗、顯微成像透鏡組、檢偏器及數(shù)碼攝像機，其中水體測樣窗設置于所述進樣室內(nèi)，所述單模激光二極管和數(shù)碼攝像機與供電控制器連接。

所述水體測樣窗采用晶體材料制作。

所述單模激光二極管的發(fā)射光方向與水體測樣窗的進水方向垂直。

所述單模激光二極管提供偏振光源，其發(fā)射波長應在數(shù)碼攝像機的感光范圍內(nèi)。

所述單模激光二極管的光束中心、針孔濾波器的中心及透鏡的中心光軸位于同一直線上。

所述數(shù)碼攝像機的感光面位于顯微成像透鏡組的焦面處。

所述設備外殼采用防腐蝕材料制作。

所述進樣室和傳感器集成艙采用開放式結構，所述傳感器集成艙內(nèi)設有可供電的水密接插頭，用于安裝水體環(huán)境參數(shù)傳感器。

所述偏振檢測光路系統(tǒng)、供電控制器和圖像采集器均采用耐壓和水密結構，電路連接采用水密接頭。

本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是：

1.本發(fā)明通過采用偏振成像技術，利用浮游生物體對偏振光的散射和吸收特性，提取其大小、形狀、紋理、以及細胞生理方面信息，有效保證所捕獲圖像中生物個體信息的區(qū)分。

2.本發(fā)明的偏振光源，是由單模激光二極管發(fā)出，經(jīng)針孔濾波器和透鏡準直，并采用起偏器將發(fā)射光的偏振狀態(tài)進行限定，獲取具有高質(zhì)量的偏振平行光束。

3.本發(fā)明通過設置顯微成像透鏡組和高分辨率的數(shù)碼攝像機，將浮游生物體的成像進行放大采集，獲得清晰的生物體結構和紋理信息。

4.本發(fā)明的傳感器集成艙位于進樣室兩側，并采用開放式結構，有利于傳感器的集成和水體環(huán)境參數(shù)的采集，方便輔助浮游生物生長環(huán)境的研究。

5.本發(fā)明中起偏器和檢偏器配合單模激光二極管的偏振特性使用，防止環(huán)境背景光偏振信號的影響。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明中偏振檢測光路系統(tǒng)的結構示意圖。

其中：1為偏振檢測光路系統(tǒng)，2為設備外殼，3為供電控制器，4為進樣室，5為傳感器集成艙，6為圖像采集器，7為單模激光二極管，8為針孔濾波器，9為透鏡，10為起偏器，11為水體測樣窗，12為顯微成像透鏡組，13為檢偏器，14為數(shù)碼攝像機。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種浮游生物偏振成像儀，包括設備外殼2及設置于設備外殼2內(nèi)的偏振檢測光路系統(tǒng)1、供電控制器3、進樣室4、傳感器集成艙5及圖像采集器6，其中設備外殼2內(nèi)設有光路通道，偏振檢測光路系統(tǒng)1設置于光路通道內(nèi)，供電控制器3、傳感器集成艙5及圖像采集器6設置于光路通道的外側，進樣室4設置于傳感器集成艙5內(nèi)、并且底部嵌設于光路通道內(nèi)，偏振檢測光路系統(tǒng)1用于對進樣室4內(nèi)的浮游生物體偏振成像，圖像采集器6用于將偏振檢測光路系統(tǒng)1捕獲的圖像進行采集和存儲，供電控制器3用于為偏振檢測光路系統(tǒng)1和傳感器集成艙5提供電源。

如圖2所示，偏振檢測光路系統(tǒng)1包括沿光路依次設置的單模激光二極管7、針孔濾波器8、透鏡9、起偏器10、水體測樣窗11、顯微成像透鏡組12、檢偏器13及數(shù)碼攝像機14，其中水體測樣窗11設置于進樣室4內(nèi)，單模激光二極管7和數(shù)碼攝像機14與供電控制器3連接。

水體測樣窗11采用晶體材料制作，如采用k9玻璃、石英或藍寶石等透光率和耐壓強度較高的晶體材料。進樣室4中裝水體測樣窗11，進樣室4的內(nèi)壁需采用與水體測樣窗11相同的晶體材料，或在水體測樣窗11處采用重疊結構，即水體測樣窗11的透光部分與該處的進樣室4內(nèi)壁是同一部件。經(jīng)由水體測樣窗11的透光部分的偏振平行光不發(fā)生折射。

單模激光二極管7的發(fā)射光方向與水體測樣窗11的進水方向垂直。單模激光二極管7提供偏振光源，其發(fā)射波長應在數(shù)碼攝像機14的感光范圍內(nèi)。單模激光二極管7的光束中心、針孔濾波器8的中心及透鏡9的中心光軸位于同一直線上。

數(shù)碼攝像機14采用高分辨率的數(shù)碼攝像機，數(shù)碼攝像機14的感光面位于顯微成像透鏡組12的焦面處。

設備外殼2采用海洋應用型防腐蝕材料制作，如碳鋼襯聚乙烯復合材料、低合金海水用鋼、或鈦基纖維復合材料等。

供電控制器3為傳感器集成艙5、單模激光二極管7和數(shù)碼攝像機14提供不同的電源輸出，并同步控制傳感器集成艙5、單模激光二極管7和高分辨率的數(shù)碼攝像機14的工作時間。

偏振檢測光路系統(tǒng)1、供電控制器3和圖像采集器6均采用耐壓和水密結構，電路連接采用水密接頭。傳感器集成艙5和進樣室4采用開放式結構，并在傳感器集成艙5內(nèi)設有可供電的水密接插頭，用于安裝水體環(huán)境參數(shù)傳感器，包括溶解氧、溫鹽深(ctd)、濁度計等。

偏振檢測光路系統(tǒng)1的工作原理是：

單模激光二極管7發(fā)射激光束，經(jīng)由針孔濾波器8和透鏡9，將激光束擴數(shù)為單波長的平行光束。單模激光二極管7的光束中心、針孔濾波器8的中心、以及透鏡9的中心光軸在同一直線上。起偏器10將單波長平行光束的偏振態(tài)進行限制，使偏振光平行入射到水體測樣窗11上，進入水體照射浮游生物體。顯微成像透鏡組12將水中浮游生物體的散射和透射光進行放大成像，有利于獲得結構分明的浮游生物體形態(tài)。顯微成像透鏡組12和高分辨率的數(shù)碼攝像機14構成浮游生物成像光路，高分辨率的數(shù)碼攝像機14的感光面位于顯微成像透鏡組12的焦面處。水體測樣窗11在垂直于水流通方向上的界面間距離，要小于浮游生物成像光路的景深，保證清晰地浮游生物體成像。浮游生物成像光路的具體景深應滿足：

式中，δl1為前景深，δl2為后景深，∫為成像光路焦距，f為成像光路的有效光圈值，δ為容許彌散圓直徑，l為對焦距離。

檢偏器13采用水平方向偏振和垂直方向偏振轉換的方式，高分辨率的數(shù)碼攝像機14獲得不同偏振度的浮游生物體圖像。具體偏振度應滿足：

總偏振度：

線偏振度：

圓偏振度：

式中，i為水平偏振態(tài)分量和豎直偏振態(tài)分量之和，即總光強；q為水平偏振態(tài)分量和豎直偏振態(tài)分量的差；u為45°偏振態(tài)分量與-45°偏振態(tài)分量的差；v為右旋偏振態(tài)分量與左旋偏振態(tài)分量的差。

綜上所述，供電控制器3控制浮游生物偏振成像儀的啟動和關閉。在浮游生物偏振成像儀的啟動后，單模激光二極管7發(fā)射激光束，經(jīng)由針孔濾波器8、透鏡9和起偏器10，將激光束擴數(shù)為單波長的偏振平行光束，照射到水體中浮游生物體上的散射和透射光，經(jīng)由顯微成像透鏡組12和檢偏器13后，被高分辨率的數(shù)碼攝像機14接收，其成像由圖像采集器6進行采集和存儲。傳感器集成艙5內(nèi)安裝的設備同步采集浮游生物偏振成像儀工作期間的水體環(huán)境參數(shù)。

本發(fā)明為海洋浮游生物研究中浮游生物的自動分類提供了一種偏振成像探測方式，其一方面獲取浮游生物體的大小、形狀和紋理信息，另一方面獲得浮游生物體內(nèi)部的偏振光散射和透光特性，以提取生物體的細胞生理方面信息。本發(fā)明可應用于各類水體中的移動或固定測量平臺，也可以單獨使用，實現(xiàn)了水中浮游生物圖像偏振信息的測量，能夠?qū)λw中浮游生物的分布、豐度、形態(tài)以及內(nèi)部結構等特征進行測量，有效解決浮游生物圖像采集過程中存在不同浮游生物間、浮游生物與懸浮顆粒間的圖像重疊現(xiàn)象，為浮游生物分類提供了生物體內(nèi)部結構的散射信息。

本發(fā)明通過偏振成像方式獲得浮游生物體的內(nèi)部結構因素，結合其大小、形狀以及其他形態(tài)，解決浮游生物圖像信息不清晰造成門類鑒別錯誤的問題，有助于對水體生態(tài)環(huán)境和浮游生物的研究。

以上所述僅為本發(fā)明的實施方式，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進、擴展等，均包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。