CN103901438B - 一种实现浮游动物信息获取的光立体采样原位探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现浮游动物信息获取的光立体采样原位探测方法，其包括：脉冲激光器发出激光脉冲，经光立体采样区中的浮游动物反射返回目标回波信号；当目标回波信号到达选通成像器件时，选通成像器件选通门开启，接收目标回波信号，并对所述光立体采样区中的浮游动物进行原位探测成像，并输出采样得到的水下二维强度图像；根据所述水下二维强度图像获得光立体采样区内的浮游动物行为信息、数量信息、尺寸信息，并结合光立体采样区的体积获得浮游动物的丰度信息。该方法有效的解决了现有原位探测成像方法不能实现真正的非侵入无干扰原位探测，且采样区不确定的问题，形成可以量化的立体光立体采样区，实现了浮游动物无干扰立体数据的获取。

Description

一种实现浮游动物信息获取的光立体采样原位探测方法

技术领域

本发明涉及探测成像技术领域，尤其涉及一种实现浮游动物信息获取的的光立体采样原位探测方法。

背景技术

浮游动物的种类、丰度及分布对浮游动物生态学及其相关海洋生态效应的研究至关重要，特别是近年来持续爆发的水母灾害，已经严重的影响了海洋生态环境，成为需要研究解决的世界难题。而目前人类在这方面的知识相当匮乏，几乎所有的研究仍处于文献积累和科学假设阶段。浮游动物的数据的快速获取成为制约这一研究开展的瓶径。

传统的获取浮游动物数据的方法主要依靠网具，周期长，误差大。而原位探测由于可以实现无干扰数据的快速获取，因此，2000年以后成为浮游动物探测领域发展的新方向。目前只有美国、法国等少数几个国家开展了这一研究。现有的原位探测成像方法主要采用光源和CCD分立的对射式结构。这种结构是一种侵入式的结构，由于光源和CCD包围采样水体，使得对浮游动物探测时会引入湍流等扰动，不能做到真正的非侵入无干扰探测；更重要的是由于光源和CCD分立的对射式结构受限于系统外形尺寸的限制，光源距采样水体的工作距离往往很小。再加上大功率的照明光源在水下环境中强烈的散射作用，使得现有的原位探测方法不仅不能获取准确的浮游动物行为信息，而且成像对比度较差，影响基于低对比度图像的浮游动物信息提取。

此外，在浮游动物原位探测成像系统中，每秒钟的采样体积是衡量系统性能的一个重要指标。采样体积越大，采样效率越高，可节省更多的人力和物力；其次采样体积大的浮游动物原位探测成像系统不仅能够对高丰度、小体积的浮游动植物进行信息采集，还能够对低丰度、大体积的浮游动植物的数量、丰度、分布以及行为等信息进行观察分析。另外，采样体积获取的越准确，对浮游动物丰度信息的获取就越准确。

然而，相比于传统的网采法，现有的浮游动物原位探测成像方法每秒钟采样体积较小。1992年美国伍兹霍尔海洋研究所研制的世界上第一台真正意义上的浮游动物原位探测系统VPR(vedioplanktonrecorder)系统，其采样体积仅为2L/s；而迈阿密大学研制的ISIIS(Insituichthyoplanktonimagingsystem)系统，是近年来报道的采样体积最大的浮游动植物原位探测成像系统，其采样体积也仅为70L/S。这样小的采样体积使得现有的浮游动物原位探测方法大部分致力于um～mm量级的小型浮游动物的探测。而大采样体积的、用于mm～cm量级中大型浮游动物探测的原位探测方法也正越来越多地引起研究者的关注。

另外，现有国外的浮游动物原位探测成像方法没有确定的采样区，采样体积的确定都是在最优的参数下，在实验室标定获取的。如果改变了某个系统参数，则必须重新进行标定。由于探测目标位um～mm量级的浮游动物，对标定设备精度要求高，且标定过程复杂，结果比较依靠主观判断。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种实现浮游动物信息获取的光立体采样原位探测方法，该方法利用并列放置的脉冲激光器和选通成像器件对前方光立体采样区内的浮游动物进行原位探测成像，其实现步骤包括：

步骤1、脉冲激光器发出激光脉冲，所述激光脉冲经光立体采样区中的浮游动物反射后返回目标回波信号；

步骤2、当目标回波信号到达选通成像器件时，选通成像器件选通门开启，接收目标回波信号，并对所述光立体采样区中的浮游动物进行原位探测成像，并输出采样得到的水下二维强度图像。其他时间选通门关闭；

步骤3、根据所述水下二维强度图像获得光立体采样区内的浮游动物行为信息、数量信息、尺寸信息，并结合光立体采样区的体积获得浮游动物的丰度信息。

其中，光立体采样区是通过同步时序控制模块控制激光脉冲与选通门之间的延时而在自然水体建立的。

光立体采样区的起始位置和结束位置如下计算：

r_begin＝(τ-t_L)c_水/2

r_end＝(τ+t_g)c_水/2

光立体采样区的形状由成像器件的光学接收镜头决定，所述光立体采样区间起始位置r_begin处，水平视场为垂直视场为在光立体采样区间结束位置r_end处，水平视场为垂直视场为其中M×N为成像器件的CCD像素数，i和j分别是CCD靶面M向和N向的像元尺寸大小，f为成像器件的焦距。

光立体采样区的体积大小为：

$V=\frac{1}{3}\frac{\mathrm{ijMN}}{f^2}(r_{\mathrm{begin}}^2+r_{\mathrm{end}}^2+r_{\mathrm{begin}}{r}_{\mathrm{end}})(r_{\mathrm{end}}-r_{\mathrm{begin}})$

从上述方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

利用本发明，由于距离选通技术切片成像的特点，可有效抑制后向散射，获得高对比图像，解决水下图像对比度低质量差的难题。

利用本发明，采用光源与ICCD并列的反射式结构，采样水体位于正前方，成像结构不会破坏采样水体，实现了真正的非侵入无干扰原位探测。

利用本发明，光立体采样区确定且体积可变，且大大的增大了光立体采样区体积，可用于mm～cm量级的中大型浮游动物的原位探测。

该方法有效的解决了现有原位探测成像方法不能实现真正的非侵入无干扰原位探测，且光立体采样区不确定的难题，形成可以量化的光立体采样区，并可根据实际情况，对光立体采样区的大小及需要观察的区域进行实时调整，为浮游动物原位探测成像中获取浮游动的行为观察、数量、丰度、等相关统计分析参数提供了创新性的解决方案。

附图说明

图1示出了本发明中用于实现浮游动物信息获取的光立体采样原位探测方法系统结构示意图；

图2示出了本发明中光立体采样区位置和体积反演算法示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出了一种实现浮游动物探测及丰度信息统计的光立体原位成像法。图1示出了本发明中用于实现浮游动物信息获取的光立体采样原位探测方法系统结构示意图。如图1所示，该方法通过距离选通成像仪对浮游动物进行原位探测，其中所述距离选通成像仪包括脉冲激光器1、选通成像器件2和同步时序控制模块3，脉冲激光器1和选通成像器件2并列放置，且对水体前方的光立体采样区进行探测成像，该方法包括：

步骤1：脉冲激光器1发射激光脉冲5，激光脉冲5经光立体采样区6内的浮游动物16反射形成向后的目标回波信号。所述梯形光立体采样区是通过同步时序控制模块3控制激光脉冲和选通脉冲间的延时在自然水体内建立的。

步骤2：当回波信号4到达选通成像器件2时，选通成像器件的选通门打开，接收目标回波信号，从而对该光立体采样区6内的浮游动物进行无干扰原位探测成像，通过上下位机控制软件7，输出水下二维强度图像8，至于上下位机控制软件以及图像输出等在本领域中属于常用技术手段，在此不再赘述。

步骤3：通过对水下二维强度图像8进行图像预处理和目标提取，实现浮游动物数量信息9、尺寸信息10、行为信息11的获取。再辅助获取的光立体采样区体积信息13，进而获取浮游动物的丰度信息14。

在自然水体内建立光立体采样区6的过程如图1所示：脉冲激光器1发射一脉冲激光5，当激光5传至光立体采样区6中的浮游动物16时，形成向后的目标回波信号4；当该后向回波信号4传播到成像器件2时，成像器件2的选通门开启，接收信号，完成图像的采集和生成。选通门的开启和关闭是由同步时序控制模块3控制的。由于选通门仅在目标16的目标回波信号4传至成像器件2时才开启，因此，光立体采样区6前后的无关信息均不被接收，从而仅获取光立体采样区6的空间切片信息，即从光立体采样区6的起始位置R至结束位置的一段空间切片信息。

由光立体采样区6的建立过程可知，光立体采样区6的起始位置R由脉冲激光器1发射激光脉冲5与选通成像器件2开启选通门之间的延时τ来决定：

其中，c_水为激光在水中的传输速度，其中R为从距离选通成像仪到光立体采样区6的起始位置的距离。

由于激光脉冲5有一定的宽度，激光脉冲和选通脉冲卷积作用会使光立体采样区6的头部和尾部存在一定的模糊，即位于光立体采样区6头部和尾部的目标回波信号能量较弱，小于位于光立体采样区中间部分的目标回波信号能量，较易被噪声淹没而模糊。该光立体采样区间15为[r_begin，r_end]，r_begin为光立体采样区间15的起始位置，r_end为光立体采样区间15的结束位置。

r_begin＝(τ-tL)c_水/2(2)

r_end＝(τ+t_g)c_水/2(3)

公式(2)和(3)中，t_L为激光脉宽，t_g为选通门宽。

当选通门宽远大于激光脉宽时，激光脉冲和选通脉冲引入的光立体采样区6头部和尾部扩展可以忽略，此时光立体采样区间15为[R，r_end]，其中R和r_end分别由公式(1)和(3)给出。

如图2所示，光立体采样区6的形状由光学接受镜头的成像视场决定。工作中成像视场与照明视场匹配，根据小孔成像模型，水平方向上成像视场α_h17为：

${\mathrm{\α}}_h=2{\tan }^{-1}\frac{\mathrm{iM}}{2f}---\left(4\right)$

垂直方向上的成像视场α_v18为：

${\mathrm{\α}}_v=2{\tan }^{-1}\frac{\mathrm{jN}}{2f}---\left(5\right)$

公式(4)和(5)中，M×N为成像器件2的CCD像素数，i和j分别是CCD靶面M向和N向的像元尺寸大小，f为成像器件的焦距。从而在采样区间起始位置r_begin处，水平视场为垂直视场为在采样区间结束位置r_end处，水平视场为垂直视场为

由以上分析可得出光立体采样区6的体积大小为：

$V=\frac{1}{3}\frac{\mathrm{ijMN}}{f^2}(r_{\mathrm{begin}}^2+r_{\mathrm{end}}^2+r_{\mathrm{begin}}{r}_{\mathrm{end}})(r_{\mathrm{end}}-r_{\mathrm{begin}})---\left(6\right)$

步骤2中，所述对该梯形体光立体采样区6内浮游动物16进行无干扰原位探测成像是指，在自然水体内建立的光立体采样区6是通过控制选通脉冲和激光脉冲之间的延时实现在该延时对应位置处的选通切片成像采样，无需破坏采样区的自然水体环境，因而不对探测目标造成干扰，可实现无干扰原位探测成像。

步骤3中，所述浮游动物信息获取，是通过图像处理的方法对采样获得的图像进行预处理和目标提取处理而获取的：统计提取后目标的数量而获取数量信息9；统计提取后目标所占的像素数而获取尺寸信息10；对提取后的目标进行观察而获取行为信息11。而所述的浮游动物丰度信息14的获取，是通过获取的浮游动物数量信息9，再辅以获得的光立体采样区体积13，计算出单位体积内浮游动物的数目而获取的，其大小为：

$A=\frac{N}{V}---\left(7\right)$

公式(5)中，A为浮游动物丰度，N为浮游动物数量统计后给出的浮游动物数量，V为梯形光立体采样区体积。

选取典型的浮游动物探测成像系统参数如下：激光脉宽t_L＝1ns，选通门宽t_g＝2ns，激光脉冲与选通门之间的延时τ＝21.5ns(延时步进为选通门宽)，脉冲激光在水中的传输速度c_水＝2.8×10⁸m/s；成像器件CCD的像素数为1360×1024，相应的像元尺寸为6.45μm×6.45μm，系统焦距为65mm。在这些系统参数下，可计算得浮游动物探测成像系统的单次采样体积为54.5L，成像区间据距成像仪的位置为2.73m，成像区间为[2.87m，3.29m]，即成像区间的厚度为0.42m。若每秒采样10次，则基于距离选通技术的浮游动物探测成像系统的采样体积为545L/s，远远大于现有基于非距离选通技术的浮游动物探测成像系统70L/s(ISIIS系统为例)的采样效率。可在同一水体的不同位置获取多幅图像，并对图像中某类浮游动物的个数求均值。若获取的图像中浮游动植物的个数均值为10个，则可确定此水体中此类浮游动物的丰度为5.45个/升。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种实现浮游动物信息获取的光立体采样原位探测方法，该方法利用并列放置的脉冲激光器和选通成像器件对前方光立体采样区内的浮游动物进行原位探测成像，其包括：

步骤1、脉冲激光器发出激光脉冲，所述激光脉冲经光立体采样区中的浮游动物反射后返回目标回波信号；

步骤2、当目标回波信号到达选通成像器件时，选通成像器件选通门开启，接收目标回波信号，并对所述光立体采样区中的浮游动物进行原位探测成像，并输出采样得到的水下二维强度图像；

步骤3、根据所述水下二维强度图像获得光立体采样区内的浮游动物行为信息、数量信息、尺寸信息，并结合光立体采样区的体积获得浮游动物的丰度信息；

所述光立体采样区为通过控制激光脉冲和选通脉冲间的延时在自然水体内建立的梯形光立体采样区；所述激光脉冲和选通脉冲间的延时是通过同步时序控制模块进行控制的。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述光立体采样区的位置以及体积由成像器件的焦距、激光脉宽、选通门宽以及激光脉冲与选通脉冲之间的延时确定。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述光立体采样区的起始位置和结束位置如下计算：

r_begin＝(τ-t_L)c_水/2

r_end＝(τ+t_g)c_水/2

其中，c_水为激光脉冲在水中的传输速度，τ为激光脉冲与选通脉冲之间的延时，t_L为激光脉宽，t_g为选通门宽，r_begin为光立体采样区离成像器件的起始距离，r_end为光立体采样区离成像器件的结束距离。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述光立体采样区的形状由成像器件的光学接收镜头决定，所述光立体采样区间起始位置r_begin处，水平视场为垂直视场为在光立体采样区间结束位置r_end处，水平视场为垂直视场为其中M×N为成像器件的CCD像素数，i和j分别是CCD靶面M向和N向的像元尺寸大小，f为成像器件的焦距。

5.如权利要求3所述的方法，其中所述光立体采样区的体积大小为：

$V=\frac{1}{3}\frac{ijMN}{f^2}(r_{begin}^2+r_{end}^2+r_{begin}{r}_{end})(r_{end}-r_{begin})---\left(6\right).$

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述浮游动物数量、尺寸、行为信息是通过对采样获得的所述水下二维强度图像进行预处理和目标提取处理，并分别统计提取后目标的数量、目标所占像素数以及观察目标行为而得到的。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述浮游动物丰度信息为：

$A=\frac{N}{V}$

其中，A为浮游动物丰度，N为光立体采样区内的浮游动物数量，V为光立体采样区体积。