CN107831155A - 多波长分时激发水中荧光物质的遥感探测装置及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种多波长分时激发水中荧光物质的遥感探测装置，包括数据处理系统，数据处理系统与激光器控制器相连接，激光器控制器还与多波长激光发射系统相连接，所述多波长激光发射系统发射不同波长的激光至海面上的目标，海水中的荧光物质受激辐射荧光，所述遥感探测装置还包括用于接收荧光的望远镜、用于将望远镜传过来的光信号色散为波长依次排列的光信号的分光系统，以及对分光系统形成的光信号进行采集的ICCD相机，所述ICCD相机与所述数据处理系统相连接。上述遥感探测装置结合分时激发探测方法可充分利用不同波长激发光源下分立及融合荧光光谱的分析能力，有效增加了定性及定量分析能力，使其特别适用于水中荧光物质成分及含量的快速测量。
Description
技术领域
本发明涉及海洋环境监测领域，尤其涉及一种多波长分时激发水中荧光物质的遥感探测装置及探测方法。
背景技术
石油在开采和运输过程中发生的溢油事件会致使水体受到污染，同样的排入海洋、江河、湖泊中的生活及工作废水的日益增加也会导致水体污染日益严重，因此目前的水生环境受到了严重的威胁。
水中溢油、叶绿素、有色可溶性有机物(CDOM)、藻红蛋白等有机物质对光学敏感，可通过激光诱导荧光(LIF)主动探测技术对其进行品类识别和定量分析。LIF遥感探测技术结合荧光光谱技术与主动雷达探测技术，通过主动发射激光照射海水，接收水体辐射的荧光，可快速实时获得大面积海水光学参数的品类及含量信息。
目前发展的激光诱导荧光探测设备有可遥感监测的激光荧光雷达和原位LIF探测设备。其中激光荧光雷达一般采用高功率大型激光器，如355nm Nd:YAG激光器、308nm XeCl准分子激光器、337nm N2分子激光器等，使得系统设备复杂庞大、造价高昂。采用半导体激光器作激发光源的原位LIF探测设备造价相对较低，装置体积小、节构紧凑，能够实现水中荧光物质的便携走航检测，但是基于船载的走航式LIF探测设备，其测量时需要现场取样测量样品，测量速度受限而不利于大面积快速测量。现有技术中，一般多采用一种或多种激发光源，由于水中荧光物质成分复杂，采用一种激发波长作激发光源进行分析使得水中荧光定性及定量分析均具有不小的难度。采用多种波长激发光同时激发可一定程度上解决光谱重合的问题，但数据融合处理困难。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种低成本、便携式的多波长分时激发水中荧光物质的遥感探测装置及探测方法。
为了实现上述目的，本发明一方面提出了一种多波长分时激发水中荧光物质的遥感探测装置，包括数据处理系统，所述数据处理系统与激光器控制器相连接，所述激光器控制器还与多波长激光发射系统相连接，所述多波长激光发射系统发射不同波长的激光至海面上的目标，海水中的荧光物质受激辐射荧光，所述遥感探测装置还包括用于接收荧光的望远镜、用于将望远镜传过来的光信号色散为波长依次排列的光信号的分光系统，以及对分光系统形成的光信号进行采集的ICCD相机，所述ICCD相机与所述数据处理系统相连接。
优选的是，所述多波长激光发射系统包括多个半导体激光器。
优选的是，所述多波长激光发射系统还包括多片镀膜反射镜。
本发明的另一方面还提出了一种基于上述多波长分时激发水中荧光物质的遥感探测装置的探测方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、由所述数据处理系统产生脉冲宽度为τ1的第一激光驱动信号驱动第一半导体激光器，使得第一半导体激光器发射第一波长的激光照射海水；
步骤2、激光束在大气中传播后到达待测海水目标，海水中的荧光物质受激辐射荧光；
步骤3、通过望远镜接收包含背景的干扰光和海水中的荧光物质受激辐射的荧光；
步骤4、通过所述分光系统将望远镜接收的光信号色散为不同波长单色光；
步骤5、由数据处理系统控制产生门宽为τ1的ICCD相机选通信号，开启ICCD相机采集上述色散后的光信号，以获得第一帧数据；
步骤6、重复A次步骤1-5，其中A为自然数，以得到A帧数据；其中在每次重复步骤1-5的过程中，改变所述数据处理系统产生的激光驱动信号的脉冲宽度为τa(其中a≥2，a为整数)，以驱动相应的半导体激光器，使得相应的半导体激光器发射出相应波长的激光照射海水；由数据处理系统控制产生ICCD相机选通信号的门宽为τa，以开启ICCD相机采集相应的色散后的光信号；
步骤7、在下一个激光周期到来之前，通过所述数据处理系统再次开启ICCD相机采集(A+1)次，并且由数据处理系统控制产生ICCD相机选通信号的门宽依次为τ1、τ2、……、τ(A+1)；
步骤8、在一个激光周期τ内，ICCD相机共获取2(A+1)帧数据，将各波长所对应的包含背景与信号的光谱数据ES与只包含背景的光谱数据Eb相减，以得到各波长所对应的扣除背景后的光谱数据；所述扣除背景后的光谱数据E为如下m行n列的矩阵形式：
其中Em，n表示ICCD相机的第m行，第n列所获得的光强度；
步骤9、将各波长所对应的扣除背景后的光谱数据E进行纵向数据累加得到光谱数据I；叠加后光谱数据I为1行n列，表达式如下：I＝[I1 I2 … In]，其中In表达式如下：
步骤10、将q个激光周期内的光谱数据I叠加得到光谱曲线F，其中q为正整数；光谱曲线F的表达式如下：F＝[F1 F2 … Fn]，其中Fn表达式如下：
步骤11、实时显示各波长所对应的光谱曲线。
优选的是，在所述步骤5中，ICCD相机可根据目标距离延时选通。
本发明的该方案的有益效果在于上述多波长分时激发水中荧光物质的遥感探测装置及探测方法可充分利用不同波长激发光源下分立及融合荧光光谱的分析能力，有效增加了定性及定量分析能力，使其特别适用于水中荧光物质成分及含量的快速测量。对照现有技术，本发明所涉及的多波长分时激发水中荧光物质的遥感探测装置结构简单，易于装配调度，造价相对低廉，便携式的优点可搭载飞机、舰船、岸站等平台，操作便利，可以用于水中荧光物质快速检测分析等。
附图说明
图1示出了本发明所涉及的遥感探测装置的结构示意图。
图2示出了本发明所涉及的多波长激光发射系统的一种实施例的结构示意图。
图3示出了本发明所涉及的多波长分时激发的工作时序示意图。
附图标记：1-数据处理系统，2-激光器控制器，3-多波长激光发射系统，4-望远镜，5-分光系统，6-ICCD相机，7-375nm半导体激光器，8-405nm半导体激光器，9-520nm半导体激光器，10-375nm全反射镜，11-400nm高通合束镜，12-480nm低通合束镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1所示，本发明所涉及的多波长分时激发水中荧光物质的遥感探测装置包括数据处理系统1，所述数据处理系统1与激光器控制器2相连接，所述激光器控制器2还与多波长激光发射系统3相连接，所述多波长激光发射系统3发射不同波长的激光至海面上的目标，海水中的荧光物质受激辐射荧光，所述遥感探测装置还包括用于接收荧光的望远镜4、用于将望远镜4传过来的光信号色散为波长依次排列的光信号的分光系统5，以及对分光系统5形成的光信号进行采集的ICCD相机6，所述ICCD相机6与所述数据处理系统1相连接。
所述数据处理系统1和现有光谱仪中的数据处理系统的原理类似，用户通过对界面进行操作，可实现对激光器控制器2和ICCD相机6的控制，可读取ICCD相机6采集的数据。所述数据处理系统1还可以在界面上实现显示光谱图像，该光谱图像可以采用本发明所涉及的探测方法获得。
所述激光器控制器2的作用是接收数据处理系统1写入的几路数字信号并将其转换成模拟信号，以分别驱动多波长激光发射系统3中不同波长的半导体激光器进行工作。
所述多波长激光发射系统3包括多个半导体激光器和多片镀膜反射镜。在本实施示例中，所述多波长激光发射系统3包括375nm半导体激光器7、405nm半导体激光器8、520nm半导体激光器9、375nm全反射镜10、400nm高通合束镜11和480nm低通合束镜12，如图2所示。
为了使各半导体激光器发出的光束沿同一方向射出，可以使所述多波长激光发射系统3中的各半导体激光器以及镀膜反射镜按照以下方式设置：所述375nm半导体激光器7、405nm半导体激光器8、520nm半导体激光器9水平放置，以保证出射激光水平。所述375nm全反射镜10与375nm半导体激光器7的出射激光相对应，并且所述375nm全反射镜10与水平方向呈45°夹角，使得375nm半导体激光器7出射的激光经375nm全反射镜10后沿竖直方向向上射出。所述400nm高通合束镜11与405nm半导体激光器8的出射激光相对应，并且所述400nm高通合束镜11与水平方向呈45°夹角，使得405nm半导体激光器8出射的激光经400nm高通合束镜11后沿竖直方向向上射出，并且使375nm的激光透射。所述480nm低通合束镜12与520nm半导体激光器9相对应，并且所述480nm低通合束镜12与水平方向呈45°夹角，使得520nm半导体激光器9出射的激光透射，并且使得375nm的激光以及405nm的激光沿水平方向射出。也就是使多波长激光发射系统3中的各半导体激光器射出的激光最终沿同一方向射出。
本发明所涉及的多波长激光发射系统3结构简单，容易实现，这样的光发射系统稳定且方便调节。本发明采用半导体激光器作为激发光源，这使得本发明所涉及的遥感探测装置相比传统采用大型激光器的激光荧光雷达具体成本低、便携式等优势。
本发明所涉及的望远镜4是尽可能多的收集远处目标辐射的荧光信号。所述分光系统5的作用是将望远镜4会聚的光信号色散为不同波长依次排列的光信号。所述分光系统5可以是棱镜分光结构，也可以是光栅分光结构。所述ICCD相机6的作用是将分光系统5色散的光信号进行采集放大并在其荧光屏上成像。
本发明所涉及的探测方法包括以下步骤：
步骤1、由所述数据处理系统1产生脉冲宽度为τ1的第一激光驱动信号驱动第一半导体激光器，使得第一半导体激光器发射第一波长的激光照射海水。
步骤2、激光束在大气中传播后到达待测海水目标，海水中的荧光物质受激辐射荧光。
步骤3、通过望远镜4接收包含背景的干扰光和海水中的荧光物质受激辐射的荧光。
步骤4、通过所述分光系统5将望远镜4接收的光信号色散为不同波长单色光。
步骤5、由数据处理系统1控制产生门宽为τ1的ICCD相机选通信号，开启ICCD相机6采集上述色散后的光信号，以获得第一帧数据。为获得高信噪比的信号，ICCD相机可根据目标距离延时选通。
步骤6、重复A次步骤1-5，其中A为自然数，以得到A帧数据；其中在每次重复步骤1-5的过程中，改变所述数据处理系统1产生的激光驱动信号的脉冲宽度为τa(其中a≥2，a为整数)，以驱动相应的半导体激光器，使得相应的半导体激光器发射出相应波长的激光照射海水；由数据处理系统1控制产生ICCD相机选通信号的门宽为τa，以开启ICCD相机6采集相应的色散后的光信号。
步骤7、在下一个激光周期到来之前，通过所述数据处理系统1再次开启ICCD相机6采集(A+1)次，并且由数据处理系统1控制产生ICCD相机选通信号的门宽依次为τ1、τ2、……、τ(A+1)。
步骤8、在一个激光周期τ内，ICCD相机6共获取2(A+1)帧数据，将各波长所对应的包含背景与信号的光谱数据ES与只包含背景的光谱数据Eb相减，以得到各波长所对应的扣除背景后的光谱数据。具体的扣除背景后的光谱数据E为如下m行n列的矩阵形式：
其中Em，n表示ICCD相机6的第m行，第n列所获得的光强度。
步骤9、将各波长所对应的扣除背景后的光谱数据E进行纵向数据累加得到光谱数据I。叠加后光谱数据I为1行n列，表达式如下：
I＝[I1 I2 … In]，其中In表达式如下：
步骤10、将q个激光周期内的光谱数据I叠加得到光谱曲线F，其中q为正整数。光谱曲线F的表达式如下：F＝[F1 F2 … Fn]，其中Fn表达式如下：
步骤11、实时显示各波长所对应的光谱曲线。
本发明所涉及的多波长分时激发水中荧光物质的遥感探测装置及探测方法充分利用不同波长激发光源下分立及融合荧光光谱的分析能力，有效增加了定性及定量分析能力，使其特别适用于水中荧光物质成分及含量的快速测量。对照现有技术，本发明所涉及的多波长分时激发水中荧光物质的遥感探测装置结构简单，易于装配调度，造价相对低廉，便携式的优点可搭载飞机、舰船、岸站等平台，操作便利，可以用于水中荧光物质快速检测分析等。
Claims (5)
1.一种多波长分时激发水中荧光物质的遥感探测装置，其特征在于：包括数据处理系统，所述数据处理系统与激光器控制器相连接，所述激光器控制器还与多波长激光发射系统相连接，所述多波长激光发射系统发射不同波长的激光至海面上的目标，海水中的荧光物质受激辐射荧光，所述遥感探测装置还包括用于接收荧光的望远镜、用于将望远镜传过来的光信号色散为波长依次排列的光信号的分光系统，以及对分光系统形成的光信号进行采集的ICCD相机，所述ICCD相机与所述数据处理系统相连接。
2.根据权利要求1所述的多波长分时激发水中荧光物质的遥感探测装置，其特征在于：所述多波长激光发射系统包括多个半导体激光器。
3.根据权利要求2所述的多波长分时激发水中荧光物质的遥感探测装置，其特征在于：所述多波长激光发射系统还包括多片镀膜反射镜。
4.一种基于权利要求2所述的多波长分时激发水中荧光物质的遥感探测装置的探测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1、由所述数据处理系统产生脉冲宽度为τ1的第一激光驱动信号驱动第一半导体激光器，使得第一半导体激光器发射第一波长的激光照射海水；
步骤2、激光束在大气中传播后到达待测海水目标，海水中的荧光物质受激辐射荧光；
步骤3、通过望远镜接收包含背景的干扰光和海水中的荧光物质受激辐射的荧光；
步骤4、通过所述分光系统将望远镜接收的光信号色散为不同波长单色光；
步骤5、由数据处理系统控制产生门宽为τ1的ICCD相机选通信号，开启ICCD相机采集上述色散后的光信号，以获得第一帧数据；
步骤6、重复A次步骤1-5，其中A为自然数，以得到A帧数据；其中在每次重复步骤1-5的过程中，改变所述数据处理系统产生的激光驱动信号的脉冲宽度为τa(其中a≥2，a为整数)，以驱动相应的半导体激光器，使得相应的半导体激光器发射出相应波长的激光照射海水；由数据处理系统控制产生ICCD相机选通信号的门宽为τa，以开启ICCD相机采集相应的色散后的光信号；
步骤7、在下一个激光周期到来之前，通过所述数据处理系统再次开启ICCD相机采集(A+1)次，并且由数据处理系统控制产生ICCD相机选通信号的门宽依次为τ1、τ2、……、τ(A+1)；
步骤8、在一个激光周期τ内，ICCD相机共获取2(A+1)帧数据，将各波长所对应的包含背景与信号的光谱数据ES与只包含背景的光谱数据Eb相减，以得到各波长所对应的扣除背景后的光谱数据；所述扣除背景后的光谱数据E为如下m行n列的矩阵形式：
其中Em，n表示ICCD相机的第m行，第n列所获得的光强度；
步骤9、将各波长所对应的扣除背景后的光谱数据E进行纵向数据累加得到光谱数据I；叠加后光谱数据I为1行n列，表达式如下：I＝[I1 I2 … In]，其中In表达式如下：
步骤10、将q个激光周期内的光谱数据I叠加得到光谱曲线F，其中q为正整数；光谱曲线F的表达式如下：F＝[F1 F2 … Fn]，其中Fn表达式如下：
步骤11、实时显示各波长所对应的光谱曲线。
5.根据权利要求4所述的多波长分时激发水中荧光物质的遥感探测装置的探测方法，其特征在于：在所述步骤5中，ICCD相机可根据目标距离延时选通。
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