CN102788678A

CN102788678A - 一种海洋湍流参数的非接触测量方法及系统

Info

Publication number: CN102788678A
Application number: CN2012102504780A
Authority: CN
Inventors: 杨克成; 孙立颖; 夏珉; 李微
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2032-07-19
Also published as: CN102788678B

Abstract

本发明公开了一种基于激光成像的海洋湍流参数的测量方法，包括：利用成像系统获取海洋湍流遥感图像；对所获得的图像进行处理，得到湍流的调制传递函数；将测量得到的湍流的调制传递函数进行反演，得到海洋湍流的结构参数。本发明还公开了一种基于激光成像的海洋湍流参数的测量系统，其包括成像系统，该成像系统包括：脉冲激光发射机系统，用于产生能量分布均匀化的光波；条纹目标板，与脉冲激光发射机系统相对设置，光波穿过待测的海洋湍流到达该条纹目标上后被反射；接收机系统，反射光波穿过该待测的海洋湍流后被其接收和采集，获得海洋湍流的遥感图像信息。本发明利用激光成像的方式，能够在不破坏湍流结构的前提下探测到海洋湍流结构参数。

Description

一种海洋湍流参数的非接触测量方法及系统

技术领域

本发明涉及海洋湍流参数测量领域，特别涉及一种海洋湍流参数非接触测量方法及系统。

背景技术

近年来，水下成像探测被广泛应用于水下目标探测、水下地形地貌观测等各个领域，为人类研究海洋生物、海洋环境提供了强有力的研究手段。但是，现在有关激光成像距离和像质的报道，多是在实验室环境下受控的静态水体条件下获得的。对于复杂海洋条件下的激光成像探测，不仅难以达到静态水体条件下的最大探测距离，而且像质的影响机制也不尽相同。在真实海洋环境中，湍流成为影响激光水下成像距离和像质的重要因素。由于受到了水下湍流的影响，光在水下传输时会从不同位置穿过湍流，导致前进方向发生变化，影响被测目标上的照度分布，并且被测目标反射的光波将会再次透过湍流传输。这将会导致成像质量受到了图像扭曲、图像噪声等的影响。对于水下激光探测系统来说，这会严重影响到光束的成像质量。因此，研究海洋湍流对水下成像系统的影响是十分必要的。探测海洋湍流可以建立一个湍流折射率模型，得到湍流的光学传递函数，建立水下湍流模型，这对于研究水下成像探测以及图像恢复有重要的作用。

由于海洋湍流扩散过程的随机性，并要受到海区水文气象以及季节等多种因素的影响，至今还没有一个比较满意的普适理论。在实验方面的研究中，探测海洋湍流所使用的方法主要运用的技术为海洋观测技术，依赖于声学多普勒流速剖面仪、三维高频点式流速仪、湍流微尺度剖面仪以及高精度温盐深剖面仪，这种方法多用于研究海洋湍流混合科学领域。其中，剪切流传感器是一种湍流微尺度剖面仪，专门研究海洋湍流微结构的探测器，主要是测量得到湍流动能耗散率。这种探测方法属于接触式的测量，剪切流传感器安装在其专用载体上，跟随载体以一定的速度在海水中运动，运动过程中剪切流传感器内部的压电陶瓷片对海洋微结构湍流的水平或竖直方向的脉动进行测量，再根据海水粘度、载体运动速度等物理量可以得到所测量区域的海水微结构湍流耗散率。

在湍流探测中，最核心的部分就是得到湍流的结构参数。目前测量湍流的结构参数的方法主要是温度脉动法，其是通过测量温度起伏来获得湍流折射率起伏特性的间接测量方法，其前提在于折射率的起伏特性完全取决于温度的起伏特性。这种方法的不足之处在于：一、使用温度脉动法探测海洋湍流具有一定的局限性。首先海洋湍流受到的影响比较复杂，水的折射率与密度、温度、压强、盐度以及波长有关，不能单一的使用温度影响来代替；其次，这种温度脉动法空间分布率和时间分布率有限，海洋湍流的尺寸从mm量级到km量级广泛分布，温度脉动法在测量小尺寸湍流时不能满足要求；第三，温度脉动法的原理导致它不可避免的会对湍流结构造成一定的扰动，对于探测工作带来不可避免的误差。

目前还出现了利用光学的方法特别是通过激光测量湍流结构参数的方法，这种方法具有精度高、不破坏湍流结构以及可连续探测的优点，但是现有的湍流探光学方法都是用于探测大气湍流的探测器，大气湍流和海洋湍流的影响要素存在着很大的不同，表征湍流结构的参数也不同，因此在测量方法和处理数据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，这种并不适用于海洋湍流的探测。

发明内容

本发明的目的之一是针对现有技术的不足，提供一种能够非接触式测量海洋湍流参数的测量方法，利用激光成像的方式，在不破坏湍流结构的前提下探测到海洋湍流结构参数。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于激光成像的海洋湍流参数的测量方法，首先利用脉冲激光器探测海洋湍流，获得探测器与被测目标之间的湍流遥感图像信息；其次，对所获得的图像信息进行分析，得到湍流的调制传递函数MTF；然后，将测量得到的所述湍流的调制传递函数进行反演，从而得到海洋湍流的结构参数。

本发明中获得湍流遥感图像信息的具体步骤如下：

成像系统的脉冲激光器发射脉冲光波，穿过待测海洋湍流到达位于另一侧的条纹目标板后产生反射，反射光波再次穿过海洋湍流返回，通过接收装置接收，即可获得海洋湍流的湍流遥感图像。

本发明的接收装置中设置有增强型电荷耦合器（ICCD），其通过选通门控制该增强型电荷耦合器（ICCD）接收目标反射光波并阻挡后向散射光，从而获得湍流遥感图像信息。

本发明的湍流的调制传递函数（MTF_turtulence）通过如下公式计算得到：

MTF_total＝MTF_equipment×MTF_turtulence

其中，MTF_equipmen为成像系统的调制传递函数，MTF_total为成像系统在探测海洋湍流时的调制传递函数。

本发明的成像系统在探测海洋湍流时的调制传递函数MTF_total通过刀刃法计算得到，刀刃法主要是利用亮度突变区来提取边缘并计算MTF。刀刃法计算MTF的步骤为：

1）根据边缘成像的灰度分布拟合出边缘扩展函数曲线ESF。

2）对边缘扩展函数曲线一次求导，得出线扩展函数曲线。

3）对线扩展函数曲线做傅里叶变换得到MTF曲线。

探测海洋湍流系统所得到的信息经过上述数据处理，得到的成像系统总的调制传递函数该总的调制传递函数

不仅包括探测设备的MTF_equipm，而且包括湍流的调制传递函数MTF_turtulence。

整个光学系统的MTF计算公式为：

MTF_total＝MTF_equipment×MTF_turtulence

使用同一套设备，将海洋湍流部分使用静止空气替代，利用探测系统测量出的MTF即为探测设备的MTF，也就是MTF_equipment。最终通过计算可以得出湍流的调制传递函数MTF_turtulence。

本发明通过对海洋湍流的调制传递函数MTF_turtulence进行反演以得到海洋湍流的结构参数。反演步骤中，先预先建立海洋湍流结构参数与湍流调制传递函数之间的对应关系，然后将探测得到的所述湍流的调制传递函数（MTF_turtulence）与上述关系进行对比，即可确定出海洋湍流结构参数。

本发明对应关系建立的具体过程为：首先，模拟各种海洋湍流的折射率分布，获得对应的结构参数；然后获得各种海洋湍流的湍流调制传递函数；最后，建立海洋湍流结构参数与湍流调制传递函数的一一对应关系。

本发明使用流体动力学模拟理论海洋湍流的折射率分布，其中理论海洋湍流的模型本实施例优选使用RNG κ-ε模型，当然可以使用其他的理论海洋湍流模型，例如标准κ-ε模型、κ-ω模型等。利用光线追迹方法推导理论海洋湍流的调制传递函数MTF；建立海洋湍流结构参数一一对应调制传递函数MTF的数据库；使用数据库信息将实际测量得到的MTF_turtulence进行反演，即可得到海洋湍流的结构参数。

本发明的海洋湍流的结构参数优选为RNG κ-ε湍流模型中的结构参数,RNG κ-ε湍流模型可用于处理高应变率以及流线弯曲程度较大的流动，其方程中的结构参数适合用来表征海洋湍流的结构特征。

本发明的目的之二在于，提供一种基于激光成像的海洋湍流探测系统，包括：有发射机系统、目标条纹板和接收机系统。

在发射机系统中，脉冲激光器发出脉冲光波，经由开普勒望远镜扩束后，经过毛玻璃对其光波能量分布均匀化。均匀化后的光波通过待测海洋湍流到达位于湍流底部的黑白矩形条纹板，并产生反射，反射光波将再次穿过海洋湍流返回。在接收机系统中，反射光波经过窄带滤光片后入射到凸透镜上，然后被凸透镜汇聚到像增强器焦平面上，被像增强器放大的信号被CCD采集，并传送至图像处理系统进行数据处理。其中，激光光波传输过程中产生的后向散射光在到达接收系统时，由于采用了距离选通技术，增强型电荷耦合器ICCD中的选通门处于关闭状态，使得后向散射光无法通过接收光学系统，无法被CCD所接收。当目标条纹板的反射光波信号到达ICCD时，选通门处于开启状态，CCD接收的是反射光波信号，从而有效的避免了后向散射光的干扰。

本发明中基于激光成像的海洋湍流结构参数的非接触式探测系统探测得到的图像信息中包含着湍流和探测设备相关的信息，对这些信息进行数据处理就可以得到湍流的调制传递函数，继而反演出湍流的折射率分布来表征湍流结构。对任意目标的反射图像进行频谱分析是非常困难的，一般是选择人工布设目标，成像质量较高，有利于较为精确的测量和分析调制传递函数。本发明中使用已知频谱的矩形黑白条纹作为目标物，分析调制传递函数方法采用刀刃法。当然也可以采用其他方法进行计算，例如脉冲法、正弦输入法和点脉冲法等。

本发明中采用刀刃法对图像的要求较为简单，只要有亮度突变的刀刃区即可达到要求。尤其是探测海洋湍流时，所得到的图像不如在实验室条件下得到的图像理想，但是寻找刀刃边缘相对容易。并且利用刀刃法处理数据更加快捷，结合计算流体学方法的应用可以实现连续的测量海洋湍流。

相对于现有技术的有益效果是：

其一，本发明采用的是非接触式的探测海洋湍流参数方法。利用激光成像的原理，结合距离选通技术，可以在不接触湍流不破坏湍流结构的前提下，精确的探测到海洋湍流的图像信息。根据这些图像信息，采用频谱比较法和傅里叶变换，就可以得到海洋湍流的调制传递函数，进而反演出海洋湍流的结构参数，达到非接触式探测海洋湍流参数的目的。

其二，本发明基于激光成像的方法，采用了激光主动照明探测，利用蓝绿脉冲激光器产生蓝绿光波对湍流底部的黑白矩形条纹板进行成像。同时采用了距离选通技术，极大的提高了成像质量，使得探测数据更加精确可信。这种成像的方法相比较传统的探测湍流方法优点在于结果直观、便于处理和理解，图像空间分辨率高，并且可以客服时间上和实验环境的影响。

其三，本发明中处理数据的方法具有快速准确的特点，探测器直接得到的是目标的反射图像信息，由于采用的是主动目标，利用频谱比较分析方法以及CFD模拟仿真相结合的方法，可以快速准确的获取信息并处理数据上，精确的得到海洋动态湍流结构的参数，相比较以往传统的方法更加简便准确。

其四，本发明中采用了光学方法测量海洋湍流结合计算流体动力学的方法，这种方法能够实现精确的、可连续性测量，能够得到实时的海洋湍流结构，比传统的探测方法具有更大的优势。

附图说明

图1为本发明的湍流探测示意图。

图2为本发明的探测系统在一个方向的结构示意图。

图3为本发明的探测系统在另一个方向的结构示意图。

图4为本发明的探测海洋湍流结构参数的方法流程图。

图5为本发明的刀刃法计算MTF流程图。

图6为本发明的发射光学系统结构示意图。

图7为本发明的接收光学系统结构示意图。

图中：1为脉冲激光发射机系统，2为脉冲激光器，3为开普勒望远镜光学系统，4为毛玻璃，5为人工布设条纹目标板，6为接收机系统，7为窄带滤光片，8为伽利略望远镜光学系统，9为增强型电荷耦合器ICCD，10为固定导轨，11为设备底座，12为连接件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例中的一种基于激光成像的海洋湍流参数的测量方法，包括如下步骤：

首先利用脉冲激光器2探测海洋湍流，获得增强型电荷耦合器ICCD9与被测目标5之间的湍流遥感图像信息。

本实施例中采用脉冲激光器2发射脉冲光波，经由开普勒望远镜光学系统3扩束后，毛玻璃4对其光波能量的分布均匀化。均匀化后的光波通过待测海洋湍流到达位于湍流另一侧的人工布设条纹目标板5，并产生反射，反射光波将再次穿过海洋湍流返回。在接收机系统6中，反射光波经过窄带滤光片7后穿过伽利略望远镜光学系统8，被汇聚到增强型电荷耦合器ICCD9的像增强器焦平面上，采集像增强器放大的信号来获取湍流遥感图像信息。在此成像过程中采用了距离选通成像技术，借助增强型电荷耦合器ICCD9中的选通门，有效的避免了后向散射光的影响，极大提高了成像的质量，使得测量结果更加准确。

条纹目标板5的条纹优选为黑白色并呈矩形分布。

利用激光成像的方法探测海洋湍流相比较传统的光学方法来说，更是具有结果直观易于分析的优点，同时结合距离选通技术，可以有效的避免了后向散射光的影响，极大提高了成像的质量，使得测量结果更加准确。

第二步，对所获得的图像信息进行分析，得到上述所探测湍流的调制传递函数MTF_total。本发明中通过调制传递函数来实现对海洋湍流结构参数的探测。

本实施例中对图像进行数据处理得到调制传递函数MTF时优选采用的方法是刀刃法，也可以用其他计算方法。刀刃法计算MTF的步骤为：

1）根据边缘成像的灰度分布拟合出边缘扩展函数曲线ESF。

2）对边缘扩展函数曲线一次求导，得出线扩展函数曲线。

3）对线扩展函数曲线做傅里叶变换得到MTF曲线。

探测海洋湍流系统所得到的图像经过上述数据处理，得到MTF_total。对整个探测海洋湍流系统的MTF_total有：

MTF_total＝MTF_equipment×MTF_turtulence

MTF_total是成像探测系统在探测海洋湍流时得到的调制传递函数，MTF_equipment是成像探测系统本身的调制传递函数，MTF_turtulence是海洋湍流的调制传递函数。

使用同一套设备，将海洋湍流部分使用静止空气替代，利用探测系统测量出探测设备本身的MTF_equipment。最终通过计算可以得出湍流的调制传递函数MTF_turtulence。

第三步，将测量得到的所述湍流的调制传递函数MTF_turtulence进行反演，从而得到海洋湍流的结构参数。反演的过称如下：

1）借助RNG κ-ε湍流模型，使用计算流体动力学模拟理论海洋湍流的折射率分布；本实施例中优选采用RNG κ-ε湍流模型，也可以采用其他湍流模型，只要能够模拟出海洋湍流的折射率分布即可。

2）利用光线追迹方法推导理论理论海洋湍流的调制传递函数MTF；

3）建立海洋湍流结构参数一一对应调制传递函数MTF的数据库；

4）使用数据库信息将实际测量得到的MTF_turtulence进行反演，即可得到海洋湍流的结构参数。

本实施例中结构参数为RNG κ-ε湍流模型中的结构参数。

一种激光成像的海洋湍流探测系统，其包括成像系统，该成像系统包括发射机系统1、人工布设条纹目标板5和接收机系统6。

发射机系统1中包含激光器2、发射望远镜系统3和毛玻璃4。激光器2发射的探测激光经发射望远镜系统3扩束后，入射到毛玻璃4上，毛玻璃4可以将呈高斯分布的激光均匀化。均匀化后的探测激光入射到海洋湍流中。

本实施例中的激光器2优选采用Nd：YAG脉冲激光器，波长1064nm，倍频后波长532nm。控制方式选择电光调Q。激光单脉冲能量80mJ，脉冲脉宽10ns。

本实施例中的发射望远系统3为优选开普勒望远系统，如图6所示。折射望远镜的成像质量比较好，视场大，使用方便，易于维护。因单透镜物镜球差较严重，望远镜系统采用两块透镜组作物镜。这种双透镜物镜由相距很近的一块冕牌玻璃制成的凸透镜和一块火石玻璃制成的凹透镜组成，可以一定程度上消去球差和彗差。发射望远系统的扩束倍数为3~5倍，物镜和目镜均为孔径为25mm。焦距按照扩束倍数适当选择。

布设目标5设置位于湍流另一侧，该人工布设目标5为黑白条纹板，条纹分布为均匀化的矩形排列。人工布设目标5的目标板材料优选为PVC。均匀化的光波对目标的成像信息更易于分析和计算。

探测激光穿过海洋湍流后入射到布设目标5上，经反射的反射光穿过海洋湍流后被接收机系统6接收。

接收机系统6包括接收光学系统8、滤光片7、增强型电荷耦合器ICCD9。

滤光片7主要工作用来过滤输入光线中不同频率波长光讯号，以传送至增强型电荷耦合器ICCD9，并且避免不同频率讯号干扰到光电探测器的判读。窄带滤光片7可以从入射光中，选取特定的波长。窄带滤光片7可以把背景光过滤降低，以减小背景光噪声的影响，提高系统的信噪比。在本实施例中，在接收光学透镜系统8前加入的窄带滤光片优选峰值透过率50%，对于噪声为0.01%，谱宽1nm。

反射光经滤光片7进行过滤后输入到接收光学透镜8中进行光束汇聚处理后输出。

本实施例中的接收光学透镜8优选采用伽利略光学望远镜，如图7所示。其结构简单，光能损失少，并且镜筒短，很轻便。物镜和目镜均为孔径为25mm，焦距根据聚焦的效果进行选定。

接收光学透镜8输出的光束输入到增强型电荷耦合器ICCD9中，进行信号的放大以及光电转换，得到海洋湍流的图像信息，通过对图像的调制传递函数MTF进行计算并反演，最后得到海洋湍流的结构参数。

本实施例中的增强型电荷耦合器ICCD9适用于采用距离选通技术的激光成像系统中。距离选通技术是使用脉冲激光器和选通摄像机，利用时间的先后分开不同距离上的散射光和目标的反射光，使得由目标反射回来的信号在选通工作的时间内到达摄像机并成像。对于纳秒级别的脉冲激光，要想获得主动成像目标的选通图像，接收成像器件必须要具备快速选通的功能。一般的CCD摄像机的帧扫描周期为毫秒量级，激光脉冲为纳秒量级，这样就导致部分的目标反射信号可能丢失，极大的影响了探测的能力。为了达到激光主动成像系统使用距离选通技术的目的，需要在CCD前安置选通成像增强器，选通成像增强器起到了快门作用，同时又补偿了由于CCD积分时间降低而引起的有效灵敏度降低。CCD摄像机通过光纤与成像增强器相连，就构成了增强型电荷耦合器ICCD9。采用增强型电荷耦合器ICCD9和激光器构成的激光距离选通成像系统可以很方便地实现选通，并且快门开启时间越短，距离分辨率就越高。其参考性能技术指标有：最小门宽2ns，光谱范围125～900nm，有效像元数可达到1380×1024，光电阴极的量子效率达50％。

Claims

1.一种基于激光成像的海洋湍流参数的测量方法，包括如下步骤：

利用成像系统获取海洋湍流遥感图像；

对所获得的图像进行处理，得到海洋湍流的调制传递函数；

将测量得到的所述海洋湍流的调制传递函数进行反演，从而得到海洋湍流的结构参数。

2.根据权利要求1所述的基于激光成像的海洋湍流参数的测量方法，其特征在于，所述获得湍流遥感图像信息的具体步骤如下：

所述成像系统的脉冲激光器发射脉冲光波，其穿过海洋湍流到达位于另一侧的条纹目标板，并产生反射，反射光波再次穿过海洋湍流返回，并通过接收装置接收，即可获得海洋湍流的湍流遥感图像。

3.根据权利要求1或2所述的基于激光成像的海洋湍流参数的测量方法，其特征在于，所述接收装置中设置有增强型电荷耦合器（ICCD），其通过选通门控制接收目标反射光波并阻挡后向散射光，从而获得湍流遥感图像信息。

4.根据权利要求1-3之一所述的基于激光成像的海洋湍流参数的测量方法，其特征在于，所述湍流的调制传递函数（MTF_turtulence）通过如下公式计算得到：

MTF_total＝MTF_equipment×MTF_turtulence

5.根据权利要求4所述的基于激光成像的海洋湍流参数的测量方法，其特征在于，所述成像系统在探测海洋湍流时的调制传递函数（MTF_total）通过刀刃法计算得到，其具体步骤为：

获得湍流遥感图像的刀刃的边缘扩展函数曲线（ESF），其中刀刃指图像上亮度突变区；

对所述边缘扩展函数曲线（ESF）进行微分处理，获得线扩展函数曲线（LSF）；

对所述线扩展函数曲线（LSF）进行傅里叶变换，即可得到成像系统在探测海洋湍流时的调制传递函数（MTF_total）。

6.根据权利要求1-5之一所述的基于激光成像的海洋湍流参数的测量方法，其特征在于，所述反演步骤中，预先建立海洋湍流结构参数与湍流调制传递函数之间的对应关系数据库，然后将探测得到的所述湍流的调制传递函数（MTF_turtulence）与上述关系数据库进行对比，确定出海洋湍流结构参数。

7.根据权利要求6所述的基于激光成像的海洋湍流参数的测量方法，其特征在于，所述对应关系建立的具体过程为：首先，模拟各种海洋湍流的折射率分布，获得对应的结构参数；然后获得各种海洋湍流的湍流调制传递函数；最后，建立海洋湍流结构参数与湍流调制传递函数的一一对应关系。

8.一种基于激光成像的海洋湍流参数的测量系统，包括成像系统，其特征在于，该成像系统包括：

脉冲激光发射机系统（1），用于产生能量分布均匀化的光波；

条纹目标板（5），与所述脉冲激光发射机系统（1）相对设置，待测量的湍流其上分布有黑白间隔的矩形条纹，所述光波穿过待测的海洋湍流到达该条纹目标上后被反射；

接收机系统（6），所述反射光波穿过该待测的海洋湍流后被其接收和采集，获得海洋湍流的遥感图像信息。

9.根据权利要求8所述的基于激光成像的海洋湍流参数的测量系统，其特征在于，所述的接收机系统（6）包括窄带滤光片（7）、望远镜光学系统（8）和ICCD（9），反射光波经所述窄带滤光片（7）和望远镜光学系统（8）后汇聚到ICCD焦平面上，采集汇聚的信号即可获取湍流的遥感图像信息。

10.根据权利要求8或9所述的基于激光成像的海洋湍流参数的测量系统，其特征在于，脉冲激光发射机系统（1）包括激光器（2）、发射望远镜系统（3）和毛玻璃（4），激光器（2）发射的探测激光经该发射望远镜系统（3）扩束后，入射到毛玻璃（4）上，该毛玻璃（4）将激光均匀化，以入射到海洋湍流中。