本發(fā)明涉及一種感知水體散射物質(zhì)含量變化的裝置，屬于水體散射物質(zhì)檢測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

水體散射物質(zhì)含量變化是海洋環(huán)境觀測的重要指標(biāo)之一，散射物質(zhì)的增加預(yù)示著海洋環(huán)境中渾濁物質(zhì)含量的增加，對散射物質(zhì)含量變化的觀測在漁業(yè)和國家海洋安全中有重要作用。水產(chǎn)漁業(yè)的相關(guān)報(bào)道證實(shí)，水體渾濁度的增加表明水體腐化物質(zhì)和微生物含量的增加，水體含氧量下降，對養(yǎng)殖水產(chǎn)生物有較大的影響。在海洋安全方面，有大量文獻(xiàn)證實(shí)潛艇等人造水下航行物游過的深海水域會存在較多的微小懸浮氣泡，對氣泡的測量成為水下航行物跟蹤監(jiān)測的重要技術(shù)手段。

目前，針對海水散射物質(zhì)的測量以光學(xué)方法為主，例如丘仲鋒等研究人員于2015年申請公開的一種監(jiān)測高渾濁海水濁度的衛(wèi)星遙感方法(公開號：105004846A)，該方法使用衛(wèi)星對海洋進(jìn)行光學(xué)遙感觀測，但該方法僅適用于高渾濁度海水，對低渾濁度海水的測量靈敏度較低，且只能對大范圍海域進(jìn)行整體觀測。歐陽敏等研究人員于2007年公開了一種用脈沖激光實(shí)時(shí)測量海水渾濁度的方法(公開號：101266210)，但該方法所使用的裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所采用的透射式結(jié)構(gòu)要求測量裝置所用元件分布在水池兩側(cè)，且要求所用激光器為窄線寬高能脈沖YAG激光器，該方法的所用激光器價(jià)格昂貴。劉西站等研究人員于2014年公開了一種尾流氣泡探測光學(xué)系統(tǒng)(公開號：103901598A)，該系統(tǒng)使用片光源、透鏡組實(shí)現(xiàn)對10微米至500微米的氣泡的分段拍攝，滿足了對海水環(huán)境中氣泡群探測的需求，但復(fù)雜的透鏡組提高了裝置穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的難度，且片光源激光器的成本較高。

綜合上述發(fā)明進(jìn)展，目前針對水體散射物質(zhì)的光學(xué)測量已有較為成熟的測量技術(shù)，但諸多技術(shù)的裝置復(fù)雜程度高，對激光器、透鏡組等原件有特殊要求，裝備成本高。而針對水體環(huán)境中的測量，要求裝置結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，以適應(yīng)各種海況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的水體散射物質(zhì)含量檢測技術(shù)中成本高，裝置復(fù)雜，對低渾濁度的水體檢測精度低的缺點(diǎn)，而提出一種感知水體散射物質(zhì)含量變化的裝置。

感知水體散射物質(zhì)含量變化的裝置，包括由透光防水窗口與防水封裝組成的防水殼體，所述透光防水窗口設(shè)置在所述防水殼體的一側(cè)，所述殼體內(nèi)部設(shè)置有連續(xù)性激光器以及CCD傳感器，所述透光防水窗口用于使所述連續(xù)性激光器發(fā)射的光束射入水中，還用于使所述光束經(jīng)過水中的散射物質(zhì)散射后的光射入所述殼體并由所述CCD傳感器接收。

本發(fā)明的有益效果為：1、使用連續(xù)型激光器、CCD傳感器，不同于現(xiàn)有技術(shù)中使用透鏡、片源激光器的高成本、復(fù)雜裝置結(jié)構(gòu)，本發(fā)明成本更低，裝置的結(jié)構(gòu)更簡單；2、本發(fā)明在水下進(jìn)行觀測、拍攝，不同于現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)遙感觀測，本發(fā)明對低渾濁度的靈敏度更高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的感知水體散射物質(zhì)含量變化的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的CCD傳感器接收到的圖像；

圖3為CCD傳感器接收到的圖像對應(yīng)的二維熵圖；

圖4為水體散射物質(zhì)增加后CCD傳感器接收到的圖像對應(yīng)的二維熵圖；

圖5為二維熵圖形成過程的流程圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式的感知水體散射物質(zhì)含量變化的裝置，如圖1所示，包括由透光防水窗口3與防水封裝4組成的防水殼體，透光防水窗口3設(shè)置在防水殼體的一側(cè)，殼體內(nèi)部設(shè)置有連續(xù)性激光器1以及CCD傳感器2，透光防水窗口3用于使連續(xù)性激光器1發(fā)射的光束5射入水中，還用于使光束5經(jīng)過水中的散射物質(zhì)散射后的光射入殼體并由CCD傳感器2接收。

其中，CCD傳感器2、激光器1和透光防水封裝窗口3的相對位置可以變化，且透光防水封裝窗口的數(shù)量也可以變化，只要保證激光器1發(fā)出的光束5能夠照射到水中，并且CCD傳感器2能夠接收到光束5通過水體中物質(zhì)散射后的光信號即可。

CCD傳感器2和激光器1還連接有供電電源(圖1中未示出)，其中供電電源可以集成在裝置的內(nèi)部，也可以連接外部作為外部供電電源。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：

CCD傳感器的分辨率為a×b，所述CCD傳感器顯示圖像的像素點(diǎn)索引為(i,j)，顯示圖像上各像素點(diǎn)的像素值為p(i,j)，與(i,j)相鄰的像素點(diǎn)的平均像素值取整后的值為q(i,j)，定義M為256×256的矩陣，矩陣M中個(gè)元素取值M(I,J)為p+1＝I且q+1＝J的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，I、J分別為像素點(diǎn)的水平索引和垂直索引，CCD傳感器與處理器連接，所述處理器包括圖像轉(zhuǎn)換單元，圖像轉(zhuǎn)換單元用于通過所述顯示圖像得到二維熵圖，二維熵圖具有用于表征散射物質(zhì)含量的亮斑，亮斑的移動(dòng)和/或擴(kuò)散程度能夠表征散射物質(zhì)的含量。

其中CCD傳感器接收到的圖像如圖2所示，CCD傳感器接收到的圖像對應(yīng)的二維熵圖如圖3所示。

下面簡要說明CCD傳感器的分辨率與矩陣M的關(guān)系：

256×256表示矩陣M的大小(即256行256列)，而a×b表示的是CCD圖像分辨率的大小。

通常彩色CCD獲取到的圖像數(shù)據(jù)為RGB類型，即分別表示紅色、綠色、藍(lán)色的亮度的三個(gè)矩陣。三個(gè)矩陣的大小均為a×b(即行b列)，矩陣中的元素表示了圖像上該元素所在位置的對應(yīng)顏色的亮度。而黑白CCD得到的圖像數(shù)據(jù)為單個(gè)矩陣，該矩陣的大小為a×b。矩陣中的元素表示了圖像上該元素所在位置的灰度。

本發(fā)明中一般采用黑白CCD，即只需獲得黑白圖像(灰度圖像)即可。如使用彩色CCD，可將三個(gè)矩陣求平均，即可轉(zhuǎn)化為灰度圖。

圖像中的像素值數(shù)據(jù)類型為uint8或double，本發(fā)明中的圖像數(shù)據(jù)類型為uint8型的矩陣。該數(shù)據(jù)類型的圖像像素值為0到255的整數(shù)，即256級。如果圖像像素值數(shù)據(jù)為double類型，則其取值為0到1?？赏ㄟ^將0到1線性投影到0-255上，并取整得到uint8格式的圖像數(shù)據(jù)。

矩陣M為對圖像像素值統(tǒng)計(jì)得到的新矩陣，不同于原本的圖像矩陣。M分辨率為256×256是因?yàn)閳D像像素值為256級。M的分辨率不受圖像分辨率的限制。

還需要說明的是，“移動(dòng)”是指二維熵圖像亮斑中心的移動(dòng)，因此移動(dòng)是兩個(gè)值X和Y，分別表示縱向索引和橫向索引上的移動(dòng)。

移動(dòng)和擴(kuò)散程度會同時(shí)變化，但由于意義不同，變化趨勢也各不相同。在一些情況下，移動(dòng)參數(shù)和擴(kuò)散程度參數(shù)僅有一方改變。擴(kuò)散程度可以通過亮斑的擴(kuò)散面積與二維熵圖的總面積的比值來確定，比值越大，則表示擴(kuò)散程度越明顯，比值越小，則表示擴(kuò)散程度不明顯。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：

二維熵圖的各個(gè)像素點(diǎn)的像素值為K(I,J)；

感知水體散射物質(zhì)含量變化的處理器還包括計(jì)算單元，所述計(jì)算單元用于執(zhí)行如下計(jì)算：

X＝E[I|_K(I,J)>0]

Y＝E[J|_K(I,J)>0]

其中X和Y分別為二維熵亮斑的水平位置參數(shù)以及垂直位置參數(shù)；D為用于表征所述亮斑的擴(kuò)散程度的參數(shù)；E[I|_K(I,J)>0]表示對所有滿足條件K(I,J)>0的I值求平均值；E[J|_K(I,J)>0]表示對所有滿足K(I,J)>0的J值求平均；表示計(jì)算d的取值為從e到f的所有整數(shù)時(shí)，相應(yīng)的C值的和。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：

本發(fā)明的處理器還包括判斷單元，判斷單元用于從獲取所述亮斑的移動(dòng)方向，亮斑向二維熵圖的右下側(cè)移動(dòng)的程度越多，則散射物質(zhì)的含量越多。

這一過程可以如圖3和圖4所示，圖4為水體散射物質(zhì)增加后CCD傳感器接收到的圖像對應(yīng)的二維熵圖。

將圖3和圖4的對比可以判斷出，亮斑向二維熵圖的右下側(cè)移動(dòng)的程度越多，則散射物質(zhì)的含量越多。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是：

判斷單元還用于獲取所述亮斑的擴(kuò)散程度，所述亮斑的擴(kuò)散程度越明顯，則所述散射物質(zhì)的含量越多。

同樣通過圖3和圖4的對比可以看出，當(dāng)亮斑擴(kuò)散越明顯時(shí)，散射物質(zhì)的含量越多。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至四之一相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同的是：

所述判斷單元還用于根據(jù)所述參數(shù)D判斷所述散射物質(zhì)含量；D的值越大，則散射物質(zhì)含量越多。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至五之一相同。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至六之一不同的是：

判斷單元還用于獲取所述參數(shù)X、Y、D的變化趨勢；所述參數(shù)X和Y的變化趨勢相反；若所述參數(shù)X和/或Y的變化趨勢與所述參數(shù)D的變化趨勢相反，則表明所述連續(xù)性激光器能量不穩(wěn)定或所述CCD傳感器發(fā)生故障。

本實(shí)施方式說明了本發(fā)明不僅可以探測水體中的散射物質(zhì)含量，還可以間接檢測出連續(xù)型激光器的能量是否不穩(wěn)定以及CCD傳感器是否發(fā)生故障。因此本發(fā)明還具有一定的自檢功能。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至六之一相同。

具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至七之一不同的是：

判斷單元還用于執(zhí)行如下判斷：

若所述參數(shù)X、Y、D同時(shí)減小，說明所述散射物質(zhì)增多。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至七之一相同。

具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至八之一不同的是：

判斷單元還用于執(zhí)行如下判斷：

若所述參數(shù)X、Y、D的變化幅度在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)均超過了預(yù)定的值，或所述參數(shù)X、Y、D的變化趨勢同步，且為平穩(wěn)的增減變化時(shí)，則表明水體中含有超出常規(guī)數(shù)量的障礙物。

即本實(shí)施方式的判斷有兩種情況：

第一種是快速大幅度起伏?！按蠓绕鸱笔侵钢笜?biāo)波動(dòng)幅度超過原值50％，“快速”是指10秒以內(nèi)。三個(gè)指標(biāo)X、Y、D快速大幅度起伏且起伏趨勢同步，說明水體中含有大量障礙物，如魚群、被水流卷起的沙石等。

第二種是平穩(wěn)增減，沒有起伏。例如當(dāng)水體存在極少的微米尺度的氣泡時(shí)，X和Y將增加25％，D將增加50％。當(dāng)氣泡數(shù)量很多時(shí)，X、Y將增加至原值的2.5倍，D將增加至原值的3倍。

通過實(shí)驗(yàn)測量，向純凈水中通入大量氣泡，隨后靜止10分鐘，此時(shí)水體中含有極少的肉眼無法分辨的微氣泡。此時(shí)X、Y值比原值高出25％，D值比原值高出50％。而現(xiàn)有技術(shù)的裝置無法達(dá)到這種精度，并且現(xiàn)有技術(shù)的裝置復(fù)雜度要明顯高于本發(fā)明。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至八之一相同。

具體實(shí)施方式十：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至九之一不同的是：

圖像轉(zhuǎn)換單元、計(jì)算單元以及判斷單元均集成在可編程邏輯芯片或計(jì)算機(jī)內(nèi)部。

并且CCD傳感器與可編程邏輯芯片或計(jì)算機(jī)之間可以使用電纜通訊，也可以使用其他無線通訊裝置進(jìn)行通訊。

其中，“在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)超過了預(yù)定的值”可以是在10秒內(nèi)波動(dòng)幅度超過原值的50％。

本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。