CN103994756A - 海洋观测微颗粒测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋观测微颗粒测量仪，包括密封的腔体，所述腔体上开设有透明的观测窗口，所述观测窗口外设置有光源，所述腔体中在所述观测窗口的内侧设置有拍摄装置，所述拍摄装置包括相机、设置在所述相机的前端的显微物镜以及连接在所述显微物镜上的物镜变焦机构，所述相机连接到所述腔体中的观测数据处理装置，所述光源以及所述物镜变焦机构连接到所述腔体中的控制装置，所述观测数据处理装置和所述控制装置连接到所述腔体的外部线缆接口。本发明能够用于深海微颗粒流动的精确在线观测。

Description

海洋观测微颗粒测量仪

技术领域

本发明涉及海洋探测技术，特别是涉及一种海洋观测微颗粒测量仪。

背景技术

目前我国海洋洋流尤其是深海洋流探测技术尚不完善，可选用的海洋观测仪器很少，且主要应用于浅海区域，使用腔体或水下机器人进行浅海的观测，数据观测的能力相当有限，且数据样本采用现场采样，返岸对样本进行分析处理的方式，具有滞后性，无法得到实时数据，不能反映实时的海底动力学信息，难以满足海洋研究人员对海洋尤其深海环境动力机理研究及探测的需求。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种海洋观测微颗粒测量仪，具有良好的深海微颗粒观测能力。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种海洋观测微颗粒测量仪，包括密封的腔体，所述腔体上开设有透明的观测窗口，所述观测窗口外设置有光源，所述腔体中在所述观测窗口的内侧设置有拍摄装置，所述拍摄装置包括相机、设置在所述相机的前端的显微物镜以及连接在所述显微物镜上的物镜变焦机构，所述相机的输出端连接到所述腔体中的观测数据处理装置，所述光源以及所述物镜变焦机构连接到所述腔体中的控制装置，所述观测数据处理装置和所述控制装置连接到所述腔体的外部线缆接口。

进一步地，所述腔体包括观测仓和控制仓，所述拍摄装置安装在所述观测仓内，所述观测数据处理装置和所述控制装置安装在所述控制仓内，所述观测仓和所述控制仓之间以隔热板隔离。

进一步地，所述腔体包括贯通的圆柱形外壳、密封覆盖在所述外壳前端和后端的腔体前盖及腔体后盖，所述观测窗口设置在所述腔体前盖上。

进一步地，所述腔体内安装有与所述腔体前盖平行设置的支撑板，所述相机和所述显微物镜通过相机和物镜支架固定，所述相机和物镜支架一端安装在所述腔体前盖上，另一端安装在所述支撑板上。

进一步地，所述隔板为隔热板，所述隔热板将所述腔体分隔为观测仓和控制仓，所述拍摄装置安装在所述观测仓内，所述观测数据处理装置和所述控制装置安装在所述控制仓内。

进一步地，所述光源包括LED灯和激光灯，其中所述LED灯的光照强度高于所述激光灯的光照强度。

进一步地，所述观测窗口的外侧设置有清洁刷，所述腔体的侧边设置有电机，所述清洁刷与所述电机的驱动端相耦合，所述电机的控制端连接到所述控制装置，所述清洁刷的清洁范围覆盖所述观测窗口和所述光源。

进一步地，所述观测窗口为蓝宝石玻璃窗口。

所述外壳为钛合金外壳。

一种使用所述海洋观测微颗粒测量仪的微颗粒追踪测速方法，包括以下步骤：

通过所述海洋观测微颗粒测量仪的拍摄装置显微放大并拍摄颗粒物图像，并将所拍摄的图像传送到所述海洋观测微颗粒测量仪的观测数据处理装置进行处理，处理过程包括：

连续两帧图像进行图像处理增强，二值化颗粒物图像；

扫描确定颗粒物的中心点，以中心点代表相应颗粒物；

采用匹配相关算法对连续两帧的单个颗粒物分别进行相关性匹配，以实现颗粒物追踪；

利用连续两帧的颗粒物位移和时间信息计算出颗粒物的平均速度、最大速度和最小速度；

根据颗粒物的位移信息确定瞬时的流场图。

本发明的有益效果：

本发明中，在密封腔体内的拍摄装置在相机前端设置显微物镜以及连接在显微物镜上的物镜变焦机构，相机采用高速高清相机，通过显微物镜的放大作用和物镜变焦机构的变焦调节作用，使得观测量级可以达到微米级别，且能够适应海底环境和观测微颗粒情况针对性地进行调节，相对于现有技术，本发明大大提高了观测精度以及观测系统对于深海环境的适应性。例如，通过本发明的拍摄装置，可以摄取清晰的微细图像以获得泥沙和藻类等颗粒物大小、位置和形状参数，同时也能实时地观测得到深海沉积层与上覆水体间物质交换情况及海底颗粒物流动情况，从而能够利用密封腔内的观测数据处理装置对摄取的图像数据进行分析，以获得瞬时湍流流速、物质通量等重要参数，实时有效地获得深海海底微颗粒物质的状态和运动等信息。这些信息可以通过腔体的外部线缆接口经线缆实时传送到岸上。本发明能够精确地、实时地得到这些数据信息，对于促进海洋物理、海洋生物和生态的研究有着重要的意义。

通过本发明的微颗粒追踪测速方法，海洋观测微颗粒测量仪对采集得到的图像进行在线处理，提取颗粒物大小、位置等关键信息传输上岸，研究者可以在岸基获得实时的深海环境观测数据，从而为深海海底水动力学的研究和更深入的深海观测提供了强有力的技术支持。

附图说明

图1为本发明实施例的海洋观测微颗粒测量仪的腔体透视图；

图2为本发明实施例的海洋观测微颗粒测量仪的腔体俯视图；

图3为本发明实施例的海洋观测微颗粒测量仪与岸基的连接示意图；

图4为本发明实施例中的粒子阴影图像测速方法流程图；

图5为本发明实施例中的在线处理方法流程图。

附图标记说明：

1.外壳2.腔体前盖3.腔体后盖4.高速相机5.显微物镜6.相机和物镜支架7.隔热板8.控制板9.在线处理开发板10.物镜变焦机构11.观测窗口12.LED灯13.激光灯14.电机15.清洁刷。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1和图2，在一些实施例里，海洋观测微颗粒测量仪用于对微颗粒物的运动进行观测研究,包括密封的腔体，腔体上开设有透明的观测窗口11，观测窗口11外设置有光源，腔体中在观测窗口11的内侧设置有拍摄装置，拍摄装置包括高速相机4、设置在高速相机4的前端的显微物镜5以及连接在显微物镜5上的物镜变焦机构10，高速相机4连接到腔体中的观测数据处理装置，光源的控制输入端以及物镜变焦机构10连接到腔体中的控制装置，观测数据处理装置和控制装置连接到腔体的外部线缆接口，通过外部线缆接口，海洋观测微颗粒测量仪可经由线缆与岸基通信并获取电能。

如图1所示，在具体实施例中，控制装置为控制板8，观测数据处理装置为在线处理开发板9。高速相机4可通过C-mount标准接口与显微物镜5搭配。通过显微物镜5和高速相机4采集的微颗粒图像可由Cameralink线缆传输至在线处理开发板9。在线处理开发板9也可以向高速相机4发送拍摄控制指令。物镜变焦机构10可以采用物镜变焦控制齿轮。通过显微物镜的放大作用和物镜变焦机构的变焦调节作用，使得观测量级可以达到微米级别，且能够适应海底环境和观测微颗粒情况针对性地进行调节，相对于现有技术，不仅大大提高了相机观测精度，还提高了观测系统对于深海环境的适应性和观测的灵活性。

在优选的实施例中，拍摄装置、控制板8和线处理开发板9装在钛合金耐压腔体内。腔体包括贯通的圆柱形外壳1、密封覆盖在外壳前端和后端的腔体前盖2及腔体后盖3，观测窗口11设置在腔体前盖2上。

腔体的观测窗口11优选采用高许用应力(230Mpa)的蓝宝石玻璃，玻璃与腔体前盖2之间、腔体前盖2与外壳1之间均采用轴向密封、径向密封相结合的方式，以提高仪器的密封性能，防止海水进入腔体，保证所有仪器设备能够在2000米深海处安全稳定作业。

在优选的实施例中，光源包括LED灯12和激光灯13，从而控制板8可根据观测需要和实际环境控制使用LED灯12或激光灯13。其中LED灯12光强度比较高，适于在光源强度要求比较大的时候使用，以获得清晰的图像。激光灯13功率比LED灯12低，适于在光源强度要求比较低的情况下使用，对海底生物干扰小，且能节省海洋观测微颗粒测量仪的电能。

在特别优选的实施例中，观测窗口11的外侧设置有清洁刷15，腔体外壳1的侧边设置有电机14，清洁刷15与电机14的驱动端相耦合，电机14的控制端连接到控制板8。控制板8通过控制电机14等相关组件，可以控制清洁刷的启停，清洁刷15在电机旋转的带动下可清洁观测窗口11，其在移动路径上还可以对LED灯12或激光灯13的发光面进行清洁，清除观测窗口11和光源上附着的颗粒物或微生物体，保证摄像的清晰度和照明的亮度不受附着物影响。

腔体内部可以用隔热板7分隔成观测仓和控制仓，拍摄装置安装在观测仓内，控制板8和线处理开发板9安装在控制仓内。通过隔热板7将数据处理系统和观测系统隔离开来，可以防止数据处理系统产生过量的热影响相机的正常运行。

腔体内可安装有与腔体前盖2平行设置的支撑板，相机4和显微物镜5通过相机4和物镜支架固定，相机4和物镜支架一端安装在腔体前盖2上，另一端安装在支撑板上。

在一个具体实施例中，隔热板7和支撑板为同一块板。

如图3所示，通过腔体的外部线缆接口，可实现海洋观测微颗粒测量仪与岸基的通讯，和海洋观测微颗粒测量仪的供电。海洋观测微颗粒测量仪可以通过8芯水密线缆(其中4芯供电，4芯做网络传输)连接到海底观测网接驳盒之上，海底观测网接驳盒再通过光纤线缆连接到岸基，数据可以通过海底光纤传输上岸，实现海洋观测微颗粒测量仪与岸基工作站之间的实时通讯功能。

工作时，控制板8通过接收岸基控制指令，可以对拍摄装置、光源、电机14、清洁刷15进行相应的控制。拍摄装置进行图像采集，显微物镜5和高速相机4采集的微颗粒图像由Cameralink线缆传输至在线处理开发板9进行高速实时在线图像处理，提取微颗粒物的大小、位置等关键物理信息，大大减少从深海海底传输到岸基的数据量，降低海底观测网线缆传输压力，实现海底实时监控和处理功能。

如图4所示，在一个实施例里，使用海洋观测微颗粒测量仪的微颗粒追踪测速方法包括以下步骤：

接收来自高速相机的连续两帧图像；

连续两帧图像进行图像处理增强，二值化颗粒物图像；

扫描确定颗粒物的中心点，以中心点代表相应颗粒物；

采用匹配相关算法对连续两帧的单个颗粒物分别进行相关性匹配，以实现颗粒物追踪；

利用连续两帧的颗粒物位移和时间信息计算出颗粒物的平均速度、最大速度和最小速度；

根据颗粒物的位移信息确定瞬时的流场图。

该方法可以获得直观的海底物质输运过程信息。

如图5所示，可通过该方法从原始图像获取颗粒物信息，满足对于目标的在线图像处理高速实时要求。

通过在线图像处理，提取得到颗粒物的大小、位置，可进一步确定面浓度信息，同时获得观测区域的瞬时流场和平均湍流速度，实现用单一仪器测量微颗粒物质通量。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种海洋观测微颗粒测量仪，包括密封的腔体，其特征在于,所述腔体上开设有透明的观测窗口，所述观测窗口外设置有光源，所述腔体中在所述观测窗口的内侧设置有拍摄装置，所述拍摄装置包括相机、设置在所述相机的前端的显微物镜以及连接在所述显微物镜上的物镜变焦机构，所述相机连接到所述腔体中的观测数据处理装置，所述光源以及所述物镜变焦机构连接到所述腔体中的控制装置，所述观测数据处理装置和所述控制装置连接到所述腔体的外部线缆接口。

2.如权利要求1所述的海洋观测微颗粒测量仪，其特征在于,所述腔体包括观测仓和控制仓，所述拍摄装置安装在所述观测仓内，所述观测数据处理装置和所述控制装置安装在所述控制仓内，所述观测仓和所述控制仓之间以隔热板隔离。

3.如权利要求1所述的海洋观测微颗粒测量仪，其特征在于,所述腔体包括贯通的圆柱形外壳、分别密封覆盖在所述外壳前端和后端的腔体前盖及腔体后盖，所述观测窗口设置在所述腔体前盖上。

4.如权利要求3所述的海洋观测微颗粒测量仪，其特征在于,所述腔体内安装有与所述腔体前盖平行设置的支撑板，所述相机和所述显微物镜通过相机和物镜支架固定，所述相机和物镜支架一端安装在所述腔体前盖上，另一端安装在所述支撑板上。

5.如权利要求4所述的海洋观测微颗粒测量仪，其特征在于,所述隔板为隔热板，所述隔热板将所述腔体分隔为观测仓和控制仓，所述拍摄装置安装在所述观测仓内，所述观测数据处理装置和所述控制装置安装在所述控制仓内。

6.如权利要求1至5任一项所述的海洋观测微颗粒测量仪，其特征在于,所述光源包括LED灯和激光灯，其中所述LED灯的光照强度高于所述激光灯的光照强度。

7.如权利要求6所述的海洋观测微颗粒测量仪，其特征在于,所述观测窗口的外侧设置有清洁刷，所述腔体的侧边设置有电机，所述清洁刷与所述电机的驱动端相耦合，所述电机的控制端连接到所述控制装置，所述清洁刷的清洁范围覆盖所述观测窗口和所述光源。

8.如权利要求1至5任一项所述的海洋观测微颗粒测量仪，其特征在于,所述观测窗口为蓝宝石玻璃窗口。

9.如权利要求1至5任一项所述的海洋观测微颗粒测量仪，其特征在于,所述外壳为钛合金外壳。

10.一种使用权利要求1至9任一项所述海洋观测微颗粒测量仪的微颗粒追踪测速方法，其特征在于,包括以下步骤：

通过所述海洋观测微颗粒测量仪的拍摄装置显微放大并拍摄颗粒物图像，并将所拍摄的图像传送到所述海洋观测微颗粒测量仪的观测数据处理装置进行处理，处理过程包括：

连续两帧图像进行图像处理增强，二值化颗粒物图像；

扫描确定颗粒物的中心点，以中心点代表相应颗粒物；

采用匹配相关算法对连续两帧的单个颗粒物分别进行相关性匹配，以实现颗粒物追踪；

利用连续两帧的颗粒物位移和时间信息计算出颗粒物的平均速度、最大速度和最小速度；

根据颗粒物的位移信息确定瞬时的流场图。