CN103403532A - 光耦合数据采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

光耦合数据采集系统，其可具有：容器，所述容器具有从封闭底部向上延伸的轮廓壁，所述容器用于将样本容纳在其中；光发射器，其可操作以使漫射光以初始强度射入容器内；光检测器，其可操作以检测所述漫射光的反射强度；以及连接至所述轮廓壁的结构体，该结构体使所述光发射器和所述光检测器保持在所述容器底部上方的预定高度处，并处于面向所述容器内的方位；其中，在所述系统操作时，所述初始光强度经由样本以可使反射强度与关于所述样本的兴趣变量的信息值相关联的方式进行衰减。

Description

光耦合数据采集系统及方法

技术领域

本发明涉及对经样本衰减的光信号进行光电检测、以确定涉及样本的兴趣变量值的系统和方法。例如，在一个实施例中，随着光穿过具有位于水介质中的生物的样本，光的衰减将影响所检测的强度，而这可与兴趣变量值相关联，例如生物数量、生物量或活度等。

发明内容

对应于一个方面，提供了一种光耦合数据采集系统，其包括容器，该容器具有从封闭底部向上延伸的轮廓壁，用于将样本容纳在其中；光发射器，其可操作以使漫射光以初始强度射入容器内；光检测器，其可操作以检测由至少一个样本和横越该样本的容器所反射的漫射光的反射强度；以及连接至轮廓壁的结构体，其使光发射器和光检测器保持在容器底部上方的预定高度，并处于方位容器内的方位；其中，在系统操作时，初始光强度经样本以这样一种方式进行衰减：反射强度可与关于样本的兴趣变量的信息值相关联。

对应于另一方面，提供了一种用于获取关于液体介质中生物样本的兴趣变量值的方法，该方法包括：将给定体积的样本置于容器中；将具有初始光强度的漫射光射向样本，所述容器接收漫射光，并将漫射光反射穿过样本，所述样本从而使初始强度衰减；测量所述漫射光的反射强度；使测得的反射强度与兴趣变量相关联。

对应于另一方面，提供了一种获取关于样本兴趣变量的信息值的方法，所述样本具有在水介质中的海洋生物，所述方法包括：使具有在水介质中的海洋生物的样本暴露于具有初始强度的漫射光中，所述样本从而使光衰减；在所述暴露后，获取对应于衰减的光强度的至少一个衰减后的光强度值；使用该至少一个衰减强度值，以获取样本的信息值。

其中，兴趣变量可以与样本中的海洋生物的生物量相关联，在本例中所述使用包括使所述至少一个衰减强度值与海洋生物的生物量相关联。

其中，所述使用步骤可包括获取对应于初始强度的初始强度值，同时使用衰减强度值和初始强度值来确定衰减值，提供校准数据，并使用校准数据将衰减值与兴趣变量的信息值相关联。

其中，校准数据可以基于校准曲线，所述校准曲线是利用多个不同样本而获取的，所述多个不同样本具有不同的已知兴趣变量，这些兴趣变量产出相应的多个衰减因数。

其中，所述暴露可包括向样本发射漫射光。

其中，可获取环境光的初始强度，且可基于测得的环境光强度而关联衰减强度值。

其中，可为两个不同波段获取至少一个衰减强度值，在该例中，所述使用步骤可包括使用为一个或两个不同波段获取至少一个衰减强度值，以获取对应于第一兴趣变量的信息值；可使两个不同波段的相应值的衰减强度比进行关联，以获取对应于第二兴趣变量的信息值；且所述暴露包括向样本以初始强度发射位于两个不同发射波段的漫射光。

其中，所述漫射光可以是日光，在该例中通过测量环境光强度来确定初始强度值，且可使用该初始强度值来获取信息值。

其中可通过检测光的反射强度来获取所述至少一个衰减强度值。

其中可通过检测光的透射强度来获取所述至少一个衰减强度值。

其中所述至少一个衰减强度值可包括在给定时间段内以规则的速度获取的多个衰减强度值，在该例中可分析所述多个衰减强度值，以确定在该给定时间段内多个衰减强度值变化的至少一个频率，且该至少一个频率可包括对应于样本两个兴趣变量的至少两个频率。

其中，所述获取可包括在所述暴露之后，获取对应于光衰减强度的至少两个衰减强度值，所述至少两个衰减强度值是从不同视场中获取的，在该例中所述至少两个衰减强度值可进行比较，并利用所述比较结果获取海洋生物的尺寸的指征。

在幼体后期虾生产领域中存在一种特定需求。在养虾业中，生产幼体后期虾，然后将其运往养虾场。养虾场通常买下幼体后期虾，价格取决于幼体后期虾的数量。幼体后期虾的数量庞大，难以计数，因此，需要一种先进的装置，以至少给出对幼体后期虾的数量令人满意的估算。因此，需求改进的方法或系统，以获取关于液体介质中的海洋生物的生物量的信息。

对应于一个方面，提供了一种用于对发育中幼体后期阶段的虾进行计数的方法，该方法包括：将给定体积的样本置于不透明容器中，所述样本具有在水介质中的幼体后期阶段的虾；向样本发射初始强度的漫射光；测量光的反射强度；使测得的反射光强度与虾的估测数量相关联，从而对虾进行计数。

对应于另一方面，提供了一种用于对虾进行计数的系统，该系统包括用于容纳预定体积的样本的容器，所述样本含有在水介质中的虾，所述容器进一步为不透明的，以防止环境光的侵扰；漫射光发射器，用于朝容器中的样本发射初始强度的光；光检测器，用于检测反射光强度，所述漫射光发射器和光检测器保持在样本上方的预定高度；以及处理器，用于使反射光强度与水介质中的虾的数量相关联。

在养鱼领域、尤其在开放式海水网箱中，存在另一特定需求。养鱼业中最大支出其中之一便是饲料成本。因此，每磅鱼的饲料量比是成功养鱼的重要因素，因此，需要减少所用饲料的量。特别地，在开放式海水网箱中，要有效而精确地确定在多大量时停止喂食，这是困难的。常见的是喂食过多，而多出的饲料将沉在开放式海水网箱底，穿过网箱而导致损失。因此，仍需求改进的手段以确定何时停止向开放式海水网箱提供饲料。

对应于另一方面，提供了一种用于确定何时停止向样本提供饲料的方法，所述样本是游动在海水中、并容纳在开放式海水网箱中的鱼，该方法包括：使具有初始强度的漫射光透射穿过样本，所述样本因而使光衰减；测量透射光的多个衰减强度值，所述衰减强度值是在给定时间段以规则的速度获取的；识别所述时间段内多个衰减强度值中对应于鱼移动的的第一变化频率；识别所述时间段内多个衰减强度值中对应于饲料移动的第二变化频率；基于对应于第二频率的变化衰减强度值，确定何时停止提供饲料。

其中，可在给定色波段内发射漫射光，并使其透射穿过样本，且所述测量步骤可包括测量对应的色波段内的衰减强度值。

其中，可测量对应的色波段内的环境光强度值，且可基于测得的环境光强度值来关联衰减强度值。

在开放式海水网箱领域，还存在着一种特定需求，也是养殖户的终极目标，即最大限度地减少昂贵的鱼饲料的消耗，同时实现最佳的鱼类生长。实现最低饲料转化率需要渔户对海水养殖网箱中的鱼的总生物量有很好的估测。了解鱼类总生物量，也能使渔户进行与鱼群相关的准确的财务预测，降低投资风险。常见的是，由于缺乏初始鱼计数评估，或因疾病或其他环境因素导致的高死亡率，鱼养鱼场在数月后无法对其鱼群进行计数。因此，仍需要改进的手段来确定开放式海水网箱中的鱼类总生物量。

对应于另一方面，提供了一种用于确定鱼群生物量的方法，包括开放式海水网箱中含有的鱼群的数量和大小，该方法包括：在一个开放的海水网箱包含：发射具有初始强度的漫射光，使其透射穿过样品，所述样本从而使光衰减；测量透射光的多个衰减强度值，所述衰减光是在给定时间段内以规则的速度获取的；识别所述时间段内多个衰减强度值中对应于较小鱼的第一变化频率；识别所述时间段内多个衰减强度值中对应于较大鱼的第二变化频率；使对应于较大鱼的总衰减值与鱼数量相关联，并使对应于较小鱼的总衰减值与鱼数量相关联，得出网箱中鱼的总数。

其中，可使用两个以上的采样频率来评估鱼类种群大小分布。

其中，可开发校准算法，使系统特定的衰减值与不同鱼类用的鱼类生物量单位相关联。

其中，可测量相应的色波段内的环境光的强度值，且可基于测得的环境光强度值，校正衰减强度值。

其中，可在相应的色波段内测量水的浊度，且可基于测得的浊度而校正衰减强度值。

在阅读了以下公开内容后，本领域人员将了解本发明的许多其它特征及其组合。

附图说明

在附图中：

图1是对应于第一实施例的对虾计数的系统的视图；

图2是展示衰减强度与每毫升轮虫量之间的相关性的曲线；

图3是展示设置在开放式海水网箱中的系统的第二实施例的图示；

图4A和4B是展示可归因为兴趣变量的隔离频率的曲线。

具体实施方式

图1展示了光耦合数据采集系统10的例子，其可用于获取样本11的信息，所述样本11可具有例如在液体介质中的小型海洋生物。在该具体例子中，海洋生物可以是虾，例如幼体后期阶段的虾，或是水介质中的无节幼体、龙虾幼体、鲟鱼卵、幼蚌、微型藻类、卤虫等，其中信息可以是其生物量。在生物大小已知且相对恒定的情况下，生物量可直接等同于生物的数量。因此，系统10可用于例如在装运前，获取水介质中海洋生物数量的至少一个估测值。

在图1中，系统10具有容器15，其可容纳给定体积的样本11，所述样本11是液体介质中的生物，在本例中，所述给定体积相对于生物的尺寸来说是大的，因此，在样本中具有大量的这种生物。从统计学上，这允许容器15中的生物导致的衰减与其生物量相关联。

系统10大致可包括发射器12（光源），其可向样本11发射初始强度的漫射光。样本11通过例如分散或吸收光而使光强度衰减。在具体例子中，信号的衰减将是样本11中的虾生物量的函数，还可以是水介质浊度和/或样本体积等其它可能变量的函数。所述信号的质量可受到环境光的影响，因此，所述样本被置于不透明容器中，该容器可覆盖有可移除的不透明封盖或盖子17，其都用于形成容器15内的封闭空间，以防止环境光侵扰，且形成结构体，所述结构体将发射器12保持在相对于样本11而言的预定位置（方位和高度），以使光暴露配置从一个测量点到另一测量点保持一致。

容器15具有从底部16朝上延伸的轮廓壁14。本实施例中所述轮廓壁的内面和底部具有反射性能，以是其能以令人满意的方式反射由发射器12发射的光。如果理想的是在一个以上的波段进行反射，或为简化期间，可选择白色或镜面的内面。在图示实施例中，通过在不透明桶20内容纳白色的桶18，来获得不透明性和反射性特征的组合。可使用足够厚的白色桶和/或通过用白色或反射性层来喷涂或覆盖容器的内面，来实现可比效果。

系统10可大致包括光检测器22。该光检测器22可获取表示被反射回的衰减信号的强度的测量值。所述光检测器可使用例如放大的硅光电二极管，其可将光强度转换为电压。其可与CCD镜头组合使用，以适配所调查的样本的距离和大小。

所述光检测器22通过盖17形成的结构体保持在相对于样本11而言的预定位置（方位和高度）上，以使光暴露和检测配置从一个测量点到另一测量点保持一致。

使用盖安装，锁定了发射器12和光检测器22相对于样本11的水平位置（高度）和方位。然而，相对于容器15，盖17紧固所在处的径向方位是从一个测量点到另一测量点的光暴露缺乏一致性的可能原因。当然，如果容器15围绕该17的轴线是对称的，包括内壁的反射率特性，例如图1所示的圆柱形，则盖17相对于容器15的相对方位的影响是可忽略的，这是因为任意径向方位上的测量值都很可能是相同的。在任何情形性，可使用机械锁或指示装置，以协助用户在需要时将盖15重复性地置于正确位置，或者，发射器12和检测器22可置于靠近盖中心的位置处，以使径向方位上的变化导致的非理想影响最小化。

水平标记例如可设置在轮廓壁14的内面，以提供指示，协助用于选择样本11的正确水平，从而提供系统中恒定量的样本11，鉴于具体实施例的专门用途，这是有用的。

如上所述，由于可使测量条件保持一致，因此，可通过测试多个样本来获得系统10的生物量校准曲线，每个样本具有已知类型、数量和成熟度的生物，这些生物具有不同的生物量，但其它参数保持一致（例如样本体积和水介质的浊度）。检测器22将获得强度读数，所述读数将随已知生物的数量/生物量而有所不同，这样，可绘制生物量校准曲线。实验证表明，校准曲线往往可以用数学公式来重现，强度在公式中例如是个简单的变量。还可使用例如经验性相关性表。

一旦已获得了生物量校准曲线，则使用具有相同样本量和相同的水介质浊度的系统，将得到给定的强度，使用校准曲线，从中可对类型和成熟度给定、数量未知的生物进行检测。由于许多生物体的特征是具有一个平均质量，该平均质量因个体而异的程度有限，因此，推导出的生物量可等于所估测的个体数量。密度测量可以在特定光谱带、在可见光谱或其它任何令人满意的光谱部分进行，或例如更普遍地利用更宽光谱，例如白光。

可能导致测量值精度降低的一个变量是液体介质浊度的差异。一种将未来读书作为浊度函数进行校正的方式是，首先，测量仅具有液体介质的样本，即无生物的介质。衰减将受浊度的影响，因此，所检测的强度将包括对浊度水平的指征。在知道了浊度水平的情形下，可对系统进行校准，以选择校准曲线，即，对应于实际浊度水平的校准曲线。

所述系统还可包括更多特征，以获取关于样本的其它信息，例如水介质的浊度。与以上所述类似的是，可使用具有多个样本的系统来获取浊度校正曲线，每个样本具有不同的水介质浊度，但其它参数保持一致。在图1所示的特定实施例中，系统具有两个分离的发射器12和28，以及检测器22和30，每一对对应于不同波段。通过使用更专用于样本11中的生物或介质的波长，可获得更精确的结果。例如，红光和蓝光波长在水介质中的表现是不同的，可利用这一点来获取令人满意的结果。替代性地，已发现，绿光和蓝光组合起来，能很好地区分有机源和无机源的衰减。通过恰当地选择LED，并恰当地选择检测器，可选地还有滤波器，可实现这一点。典型的LED可在20到40nm数量级的波段上发射，而滤波器可用来对不在20到20nm数量级的波段频率进行滤波。替代性地，在不考虑能量消耗的实施例中，可使用具有漫射透镜的激光器来替代。从以上可知，应当理解，在替代性实施例中，系统可适于获取关于无机源的变量的信息，例如液体介质中的沉淀物。

使用具有多种不同数量的虾的系统，每种又有多种不同的浊度水平，可获得三维校准曲线（曲面），或双相关表集。可使用两种不同的强度数据来评估该曲线，例如反射的红光的强度，和红光与绿光的反射强度的比值，以获得具有浊度水平已知的水介质的样本的生物量信息。将水介质的浊度水平或其它有影响的变量考虑进来，将有助于实现更高精度的生物量估测。在替代性实施例中，可使用其它波长。在替代性实施例中，可使用单独的浊度传感器，以获取浊度读数，从而完成正确的校准曲线。还应当注意到，在此，使用两种波长，除了确定水的浊度之外，还可提供其它用途，例如确定活体饲料相对于鱼的比率，或例如确定寄生虫的存在。

在图1所示的特定实施例中，系统具有两个不同光谱发射带（蓝光和绿光）的LED灯，以及两个检测单元，都穿过水箱盖17安装。检测单元可由光电二极管和驱动电路构成，以优化降噪和信号稳定性。LED光线穿过漫射镜片均匀照亮着水箱。由于水箱是不透明的，且是基本上光密封的，因此，照明几乎完全来自于LED光源。每个所述检测单元都具有一个带通滤波器，以对应于一个LED的发射光谱。由水箱底部返回的、穿过带同滤波器的光能量被转换成电压，随后由基础数据记录器系统记录。为使LED的输出功率保持恒定，可安装风扇单元，以对系统降温。数据记录器单元可传输电压强度数据，以由可选的内部处理器32进行直接处理，或例如经端口（未图示）由连接的外部计算机处理，或传输至例如可选地存储卡端口的存储卡34中，用于后续访问。

可移除水箱盖17，以向水箱/容器15中添加水和和要计数的海洋生物。这些操作也可通过例如位于盖上或位于容器侧部的通道来进行。因此所述盖是可选的。可选地，可在桶的底部和/或壁上使用镜子，以增强两次穿过样本的反射光的量，从而例如提高精确度。

应当理解，所述系统可用于获取不同类型的有机物或特定主体的信息，且特别要注意到，所述系统尤其适于获取这些生物的生物量信息，例如虾、活饲料如卤虫和轮虫，鱼类幼体和贝类幼体，甚至更小的生物如血细胞，在这种情况下，所述系统可缩放至较小尺寸。例如，图2提供了校准曲线的一个例子，其允许衰减强度大致等于每毫升轮虫的数量。无机或有机颗粒物也可以按照类似于上述方式表征浊度。

最后，应当理解，所述系统可按比例放大至更大尺寸，且一个替代性实施例可专门适用于水库中的陆基水产养殖业，所述水库可在数千公升的水介质中含有庞大的生物量，或适用于开放式海水网箱应用中。在不能为样本遮蔽环境光的实施例中，可使用环境光检测器和/或滤波器装置，以帮助分辨可用强度测量值中的环境光的影响。

使用视场比，可获得的信息的另一个例子是海水生物的大小，或其它相关的兴趣变量。颗粒的前向散射相位函数（FSPF）随颗粒尺寸而变化；颗粒越大，则其将越多地反射前进方向上的光。较小的颗粒倾向于使光均匀地分布在各个方向。因此，通过记录有关FSPF的信息，有可能取得关于水中的颗粒大小的信息。可使用两个或多个检测器，每个检测器具有例如CCD镜头，其能调节以在两个或多个相应视场中测量反射光的强度，从而获取不同视场。可通过记录窄视场（（例如，10度）与大视场（例如20度）所记录的光强度之间的反射率比率，可获取颗粒的FSPH。由于海洋生物在水体中是自由浮动的，因此其行为表现类似颗粒，而这一窄宽视场比可以与水箱中存在的海洋生物的平均尺寸相关联。如果使用两个以上的视场，则有可能提供海洋生物的尺寸分布函数。利用这种技术，可产生与可用视场比数量一样多的尺寸类别。

用于开发算法的方法可以是，将关于系统记录的光测量值的数据链接至兴趣变量（VOI），例如水中生物的数量或大小，或其浓度。可使用两个级别的算法，包括用于外部变量的校准算法，和用于将记录的数据转化为有意义的信息的处理算法。

首先，可对所获得的系统的几何和放射性外部变量的光测量值进行标准化。事实上，像系统内部温度或湿度水平这样的因素可影响激光器或LED源的输出功率，并影响光测量值。为使处理算法的精确度最大化，必须消除这些外部变量的影响。

外部变量用的校准曲线可在实验室产生，然后开发算法，并将其集成至计算机程序中。所述程序自动校正系统记录的光反射率测量值中的外部变量的影响。对于水产业应用，可产生以下外部变量用的校准曲线：光束发散；光源与被调查标本/样品之间的距离；系统的内部温度、湿度、水位、水的光学特性（浊度）。

对于每个变量，可展开实验，以评估其对系统记录的光反射率测量值的影响。所述实验可包括测量白色校准目标在专门针对所调查的外部变量的不同条件下的反射率。以等于或高于系统精度的数量级，为影响光反射率测量值的外部变量产生校准算法。

类似于前述的外部变量校准处理，通过实验，建立了由系统记录的校准后反射率测量值与兴趣变量之间的关系。在这一算法开发的第二层面，针对每个兴趣变量建立一特征函数。例如，活饲料浓度的增大可线性降低光强度测量值，而反射率与多个比目鱼幼体之间的关系可以是指数型的。

参加图3，可使用系统50的另一实施例，来获取水介质中海洋生物样本52的信息。在该具体例子中，海洋生物是鱼，水介质是存在于开放式海水网箱53中的水体。该开放式海水网箱是渗透性的，因此，水流经网箱，而体积保持不变。

在该具体例子中，可完全省去发射器，系统可基仅基于环境光54（日光）来运作。更具体地，环境光检测器56（其可以是高温计，可选地具有适配的滤波器）置于开放式海水网箱53的顶部，且面向天空。其视场将足够宽，从而基本不受例如正上方存在的云层的影响。日光透射穿过样本52，与此同时衰减。至少一个检测器58设置在水面60下方，并位于受鱼群存在影响的光线的路径上。衰减后的光强度检测器58的读数将低于初始环境光强度的读数，这是因为在穿过样本透射期间发生了衰减。衰减后的光强度是环境光强度（日光强度）、网箱中鱼生物量、以及水介质的浊度的因数。可通过已知初始光强度而从等式中消除环境光强度因素，这可通过环境光来实现。已知浊度水平可允许从等式中消除浊度因素。于是，通过使用先前获得的校准曲线，检测器58测得的衰减后的光强度可用于获取生物料指征。确定网箱中鱼的生物量，对获得应当提供多少恰当量饲料的指征而言，是特别有用的。

一般地，使用更多数量的检测器，可允许提高系统的精确度，还允许获得更多信息。例如，可使用检测器来检测水的浊度，检测器位于水下，但在大致不受鱼群活动的干扰的日光路径上。一旦使用环境光检测器获得的信息，从等式中移除初始光强度因数，则使用适当的校准曲线，可将检测到的强度直接链接至浊度，且可使来自网箱底部的检测器的读数与网箱中鱼的生物量相关联。

一种特别有益的用途是，协助确定何时停止喂食开放式海水网箱中的鱼。比简单地分析给定时刻一个或多个检测器的数据更有效的方式，可包括在给定时段内以规则的速度获取一个或多个检测器的数据。例如，可以每秒二十次强度测量值的数量级频率获取读数。当喂食时，鱼将以平均速度移动。鱼的动作对强度测量值的影响将使强度测量值以给定频率波动。通过分析读数，可识别强度信号中对应于鱼的动作的频率变化。一旦鱼吃饱了，其将倾向于留在水面处一定时间，再继续以给定速率移动，但其不再消耗全部饲料。典型的饲喂颗粒料将以每秒4英寸的速率下沉。在靠近检测器时，由于鱼群移动，下沉的颗粒料将形成不同于频率峰值的强度波动。分析该强度变化频谱，可允许检测与下沉的颗粒饲料的相关的频率峰值的产生。可对系统编程，一旦检测到与下沉颗粒料的发生相关的频率峰值的预定阈值，则警告用户减缓或停止输送饲料。

更具体地，该方法可称为卷积信号分析，用于描述系统监控的不同的兴趣变量。通过使变量与光检测器产生的电子信号内的频率范围相关联，可分离变量相应的光衰减值。

由于频率是每单位时间重复性事件的发生数量，因此，可将变量分类为较低频率参数和较高频率参数。这种分类体现在这样的例子中：识别水养网箱中游动的鱼的特定衰减值，和投入水养网箱中喂鱼的颗粒料的特定衰减值。饲喂颗粒料以每秒4英寸（约10cm）的恒定速率沉入网箱，具体取决于饲料类型，并停留在传感器视场内以相当长时间。鲑鱼以每秒20英寸（约50cm）的平均速度游动，并因此收到快速的方向改变的影响。因此，使用XpertSea系统，可以低于在水中随机游动的鱼的频率记录饲喂颗粒料向网箱底的下沉。

图4A和4B展示了一个具体例子，其中，使用信号卷积方法，来分离饲喂颗粒料的和鱼的特定衰减值。图4A和4B顶部的信号是系统记录的原始波形，同时鱼在水养网箱中被喂食。对原始波形应用离散傅里叶变换，以使信号内存在的每一频率的幅值特征化。在图4A中，向变换式应用低通滤波器（如图4A的底部信号所述），以除去高于2Hz的频率。表达在图1中间行的所得值专用于由饲喂颗粒料导致的光衰减。

相同的处理可应用于图4B，然而，替代低通滤波器的是高通滤波器，其用于擦除所有低于2Hz的频率，仅保留在2Hz到10Hz之间的较高频率。因此，图4B中间行展示的值专门用于由水中游动的鱼引起的光衰减。相同的处理可再次施用于较高频率，以区分由鱼导致的变化和由高频电噪声导致的信号波动。

可使用类似的处理，以识别鱼的活跃度（其可以与健康度相关），识别网箱中的食肉动物、确定鱼群的大小分布等。

可通过跟踪一段时期的强度变化，而获得其它有用信息。例如，可与各种兴趣变量、例如鱼或贝类的计数或大小相关联的可靠数据涉及对大量值的采集。事实上，由于海洋生物在水体中四处游动，因此，可能需要许多测量值，以获得真实地代表物种的样本。例如，鱼类倾向于彼此重叠，形成多簇。如果最终比率或光强度值不是基于单个测量值，而是基于在一段固定时期内采集的数百个数据的平局值，则在该时期内采集的单个数据之间的变化可提供关于水中海洋生物的行为的信息。如果每秒中记录一次数据，持续记录5分钟，则会产生300个单个数据。另一方面，如果正在喂食鱼群，则鱼群的随机运动会在数据集中产生大的变化。最终，两个数据集的平均值是类似地；然而，其标准偏差值将有很大差异。使用这一技术，可使数据集的标准偏差值与海洋生物群的活跃度相关联。

为获得更好的精确度和/或通用性，读数可由在一定光谱内发射的光来触发，而不是简单地使用直射日光，所述光谱可以一个或多个预定波段为中心。例如，在想获得读数的非常多云的天气时，不能获得直射日光。使用环境光检测器来获取对检测强度有所贡献的环境光的指征，并允许相应地校正所检测的强度，在那些使用发射光且受制于环境光的实施例中这是有用的，甚至可能是关键的。

在那些将直射日光用作光源的实施例中，环境光强度是一个变量，其可被考虑进适当的校准算法中。

通常，开放式海水网箱越大，检测器的数量越多，且可选地，要获取表示整个开放式海水网箱的满意精确度所需的发射器也越多。

在一个具体实施例中，检测器可使用海洋级线缆单独连接至光电单元，以在网箱中策略性地布局。另外，由于网箱位置处受限的电源可用性，可使用激光器作为。替代例是使用在特定光谱段（例如绿光和红光）上发射光的LED灯。所述LED等可以是耐用、价格低廉且节省能源的。使用LED灯，可使用12V直流电池驱动整个系统（光源、检测器和数据记录器），所述电池是可充电的，使用防水的太阳能面板。一种降低能源消耗的策略是，仅在特定时期采集读数，例如每小时，这样可防止发射器吸引趋光性寄生虫。电源和电子单元可紧固至坚固的防水外壳内，该外壳漂浮在筏上，所述筏连接至附表。提供采集相对少量数据的开放式海水系统可以是有益的，所述数据可无线传输。

网箱可以是球形的，或是桶形的。如果使用，可将光源有策略地围绕网箱结构置位。在网箱直径非常长（例如超过10米）的实施例中，将光源安装在网箱的中心轴上将是优选的。检测器可由一个。两个或更多检测单元构成，这些检测单元封装在防水外壳内，所述外壳具有玻璃或丙烯酸树脂的前窗，能量可穿过该前窗，到达光电二极管的有效区域。CCD镜头、光电二极管和电路板（例如信号放大和降噪）都可以是检测单元的部件。还可安装反射性面板，以更有效地采集光。如果使用不同频带的LED，则还可增加激光线性滤波器或宽频带滤波器。防水接头可允许电源线和信号线将电路板连接至光电单元。可同时或单独打开光源，以测量光的透射和反射。光源的数量可以从一个到十个或更多不等，具体取决于网箱的大小和光的发射功率。可围绕网箱结构在中央枢纽上安装光源。使用不同光源和检测器的不同组合所产生的数据，以及统计参数、参考值和外部变量的校准，可测量多个兴趣变量。

例如，一些检测器可相对于光源呈0度和180度放置。这样，监测由鱼反向散射的光（0度）和透射穿过鱼群的光（180度）是可能的。随着网箱中鱼的数量的增多，呈0度进入检测器的反向散射光的量也增加了，但呈180度进入检测器的光量减少了。使用反向散射与透射光的比率，可大致估计网箱中鱼的量。然而，反向三色与透射光的比率也会受鱼大小的影响。因此，为开发用于鱼量的精确算法，需要知道鱼群的大小分布。

使用颗粒的前向散射相位函数（FSPF）以获取关于水中颗粒的尺寸信心。这可通过将探测器设置在围绕网箱的不同视角（(0、45、90、135和180度）来实现。在网箱中没有鱼时，传感器记录恒定的光强度，该光强度是传感器关于光源的距离和角度的函数。然而，随着鱼被引入网箱，将发生鱼的分散，其是鱼大小的函数。当鱼还小时，光将围绕网箱均匀地散射。然而，随着鱼大小的增长，较大鱼群将对位于光源对面的检测器产生钱箱散射。因此，可通过找出相对于光源处于不同角度的传感器记录的光强度的比率，确定网箱内的鱼群大小分布。

在另一实施例中，可使用系统监控被寄生虫或病毒性疾病感染的网箱中的鱼群，如果该感染导致鱼表面的物理属性发生改变，例如色素沉着或纹理的改变。例如，在海水网箱养殖设施中，海虱是一个严峻的问题。当海洋桡足类虱找到一个宿主鱼时，其发育成寄生虫成虫，附着在鱼皮上。如果海虱感染了网箱中的鱼群，则绿色散射光的强度将减小，这是因为海虱的生物色素吸收了绿光光谱。然而，海虱组织中的颜料特性将不吸收这么多红光光谱。因此，绿光与红光反向散射光强度比率的不寻常的降低可以与海虱感染所导致的鱼皮肤色素沉着变化相关联。

并且，仍使用两种波长的发射光，还可使用由检测器以180度测得的绿光与红光的比率来确定水的浊度。事实上，到达呈180度的检测器的光主要穿过鱼群，而不被鱼散射。因此，光唯一受到的衰减是来自于水和小悬浮颗粒。由于绿光比红光能更多地被悬浮颗粒吸收，因此，高的绿透射光与红透射光比表示悬浮颗粒的低浓度。另一方面，低的绿透射光与红外透射光比表示悬浮沉淀物的高浓度。高浓度悬浮颗粒可与例如藻类或寄生虫的大量繁殖或污染事件相关联。

如在此可以理解的，以上描述和阐释的例子仅用作示例。本发明的范围由权利要求而定。

Claims (20)

1.光耦合数据采集系统，该系统包括：容器，所述容器具有从封闭底部向上延伸的轮廓壁，所述容器用于将样本容纳在其中；光发射器，其可操作以使漫射光以初始强度射入容器内；光检测器，其可操作以检测由至少一个样本和横越该样本的容器所反射的漫射光的反射强度；以及连接至所述轮廓壁的结构体，该结构体使所述光发射器和所述光检测器保持在所述容器底部上方的预定高度处，并处于面向所述容器内的方位；其中，在所述系统的操作过程中，所述初始强度经由样本以可使反射强度与关于所述样本的兴趣变量的信息值相关联的方式进行衰减。

2.根据权利要求1所述的光耦合数据采集系统，其特征在于，所述系统进一步包括用于存储校准数据的存储器，和可操作以使用所述校准数据使所述反射强度与所述信息值相关联的处理器。

3.根据权利要求2所述的光耦合数据采集系统，所述系统进一步包括视觉指示器，其特征在于，所述样本具有位于水介质中的多个生物体，且所述处理器可操作以在所述视觉指示器上显示所述生物体的数量，所述生物体数量是基于所述比较结果而确定的。

4.根据权利要求2所述的光耦合数据采集系统，其特征在于，所述系统进一步包括数据存储端口，该数据存储端口可由所述处理器操作，以存储反射的强度数据。

5.根据权利要求1所述的光耦合数据采集系统，其特征在于，所述容器形成屏蔽了外部光的封闭样本量。

6.根据权利要求1所述的光耦合数据采集系统，其中，所述轮廓壁和所述底部是桶的一部分，该桶具有敞开的顶端，其特征在于，所述结构体是由可紧固至所述桶的敞开顶端的盖形成的，且所述光发射器和所述光检测器都安装在该盖上。

7.根据权利要求6所述的光耦合数据采集系统，其特征在于，所述轮廓壁、所述底部和所述盖是不透明的，以防止环境光进入容器中，且所述轮廓壁和所述底部能够反射漫射光。

8.根据权利要求6所述的光耦合数据采集系统，其特征在于，所述轮廓壁具有从所述底部向上延伸的圆柱形形状。

9.根据权利要求1所述的光耦合数据采集系统，其中，所述光检测器是在第一波段内操作的第一光检测器，所述系统进一步包括在与所述第一波段不同的第二波段内操作的第二光检测器；其特征在于，所述处理器可操作以使用两个波段获取关于所述样本的不同兴趣值的独立信息值。

10.根据权利要求1所述的光耦合数据采集系统，其特征在于，所述光发射器是在所述第一波段内操作的第一光发射器，所述系统进一步包括在所述第二波段内操作的第二光发射器。

11.根据权利要求1所述的光耦合数据采集系统，其特征在于，所述轮廓壁具有水平标记，所述水平标记对应于液体介质的预定校准量。

12.用于获取关于液体介质中的生物样本的兴趣变量值的方法，该方法包括：

将给定量的样本置于容器内；

使具有初始强度的漫射光射向样本；

所述容器接收所述漫射光，并反射所述漫射光以使之穿过所述样本，所述样本从而使所述初始强度衰减；

测量所述漫射光的反射强度；并且

使测得的反射强度与兴趣变量相关联。

13.根据权利要求12所述的方法，所述方法进一步包括提供校准数据，其特征在于，所述校准步骤包括使用所述校准数据，使所述反射强度与兴趣变量的信息值相关联。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述校准数据包括校准曲线，该校准曲线对应于所测得的具有相同体积、但具有不同兴趣变量值的多个样本的反射强度。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括校准步骤，该校准步骤包括测量给定量液体介质的反射强度、使用所述校准数据使测得的反射强度与液体介质的浊度值相关联、以及使用所述浊度值选择校准曲线。

16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括获取对应于所述初始强度的初始强度值、用所测得的反射强度和所述初始强度值确定衰减值，其中所述关联步骤包括使用衰减值。

17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述兴趣变量是所述样本中的生物体的数量。

18.根据权利要求12所述的方法，其中，对第一波段中的第一反射强度完成所述测量，且所述兴趣变量涉及生物体，其特征在于，所述测量进一步包括测量与所述第一波段不同的第二波段中的第二反射强度，并使所述第二反射强度与关于所述液体介质的兴趣变量相关联。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述第二反射强度的关联包括确定所述第一反射强度相对于所述第二反射强度的比率。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述暴露包括在两个不同发射波段独立地向所述样本发射初始强度的漫射光。

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