CN108828768A

CN108828768A - 应用于深海探测的照明光源设计方法及相关设备

Info

Publication number: CN108828768A
Application number: CN201810437583.2A
Authority: CN
Inventors: 全向前; 许惠平; 刘怡丹
Original assignee: Institute of Deep Sea Science and Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Deep Sea Science and Engineering of CAS
Priority date: 2018-05-09
Filing date: 2018-05-09
Publication date: 2018-11-16
Anticipated expiration: 2038-05-09
Also published as: CN108828768B

Abstract

本发明公开了一种应用于深海探测的照明光源设计方法及相关设备，方法包括：获取照明光在海水中的衰减特性，衰减特性表示照明光光通量与波长以及传播距离的变化关系；根据获得的衰减特性，确立用于表征照明光源发出照明光的光谱分布的光谱目标函数，以使得照明光源发出照明光符合光谱目标函数时探测所得图像保留目标的光谱信息完整；依据确立的光谱目标函数，选择不同色光发光元件构建照明光源，以得到的照明光源发出照明光的光谱分布符合所述光谱目标函数。本发明应用于深海探测的照明光源设计方法及相关设备，得到的照明光源应用于深海探测，能够使拍摄图像保留目标的光谱信息完整，使拍摄的图像显色均衡，避免了出现偏蓝偏绿的问题。

Description

应用于深海探测的照明光源设计方法及相关设备

技术领域

本发明涉及深海光学探测技术领域，特别是涉及一种应用于深海探测的照明光源设计方法及系统。本发明还涉及一种应用于深海探测的照明光源设计设备以及计算机可读存储介质。

背景技术

随着深海资源的开发与利用技术的发展，深海光学成像探测技术受到越来越广泛的关注。在距海面200米以下的海域中，可见光的照度不及水面光照度的0.01％，在深海海域内周围环境更是一片漆黑，因此作为深海光学成像探测的前提，照明光源对提高深海光学成像的质量至关重要。

现有技术中，深海光学成像的成像质量还远不能达到高要求，存在所拍摄图像显色不均衡、图像偏蓝或者偏绿的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种应用于深海探测的照明光源设计方法及相关设备，所得到的照明光源应用于深海探测，能够使探测得到的图像显色均衡，避免出现偏蓝偏绿的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种应用于深海探测的照明光源设计方法，包括：

获取照明光在海水中的衰减特性，所述衰减特性表示照明光光通量与波长以及传播距离的变化关系；

根据获得的所述衰减特性，确立用于表征照明光源发出照明光的光谱分布的光谱目标函数，以使得所述照明光源发出照明光符合所述光谱目标函数时探测所得图像保留目标的光谱信息完整；

依据确立的所述光谱目标函数，选择不同色光发光元件构建所述照明光源，以使得到的所述照明光源发出照明光的光谱分布符合所述光谱目标函数。

可选的，若所述照明光源应用于深海中近距离工作，则所述光谱目标函数中增加衰减强的光谱波段的光通量；

若所述照明光源应用于深海中远距离工作，则所述光谱目标函数中去掉衰减强的光谱波段，并增加衰减弱的光谱波段的光通量。

可选的，以以下方程表示照明光在海水中的衰减特性：

I＝I₀e^-μ(λ)l；

其中，I表示衰减后照明光的光通量，I₀表示原始照明光的光通量，

μ(λ)表示衰减系数，l表示衰减光程。

可选的，所述获取照明光在海水中的衰减特性包括：

模拟深海环境的温度、压强、盐度以及水质构建实验环境，通过测试实验以及对实验数据进行处理分析，获得不同波长照明光在海水中的衰减特性。

可选的，所述依据确立的所述光谱目标函数，选择不同色光发光元件构建所述照明光源包括：

模拟不同色光LED芯片的光谱曲线并模拟调整不同色光LED芯片的数量比例，来模拟构建发光元件阵列，以构建所述照明光源；

或者，模拟不同色光LED芯片的光谱曲线以及不同色光荧光粉的光谱曲线，并模拟调整不同色光荧光粉的含量比例，来模拟构建所述照明光源。

可选的，还包括：

根据获得的所述衰减特性，确立用于表征所述照明光源发出照明光的光照度分布的照度目标函数，以使得所述照明光源发出照明光符合所述照度目标函数时探测所得图像亮度均匀；

依据确立的所述照度目标函数，对所述照明光源进行二次配光，以使得到的所述照明光源发出照明光的光照度分布符合所述照度目标函数。

可选的，通过折射方式对所述照明光源进行二次配光，或者通过折射与反射混合方式对所述照明光源进行二次配光。

一种应用于深海探测的照明光源设计系统，包括：

获取模块，用于获取照明光在海水中的衰减特性，所述衰减特性表示照明光光通量与波长以及传播距离的变化关系；

第一确立模块，用于根据获得的所述衰减特性，确立用于表征照明光源发出照明光的光谱分布的光谱目标函数，以使得所述照明光源发出照明光符合所述光谱目标函数时探测所得图像保留目标的光谱信息完整；

构建模块，用于依据确立的所述光谱目标函数，选择不同色光发光元件构建所述照明光源，以使得到的所述照明光源发出照明光的光谱分布符合所述光谱目标函数。

一种应用于深海探测的照明光源设计设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上所述的应用于深海探测的照明光源设计方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的应用于深海探测的照明光源设计方法的步骤。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种应用于深海探测的照明光源设计方法，首先获取照明光在海水中的衰减特性，然后根据获得的衰减特性，确立用于表征照明光源发出照明光的光谱分布的光谱目标函数，能够使照明光源发出的照明光符合所述光谱目标函数时探测所得图像保留目标的光谱信息完整，进一步根据确立的光谱目标函数，选择不同色光发光元件构建照明光源，以使得到的照明光源发出照明光的光谱分布符合所述光谱目标函数。

本发明应用于深海探测的照明光源设计方法，得到的照明光源应用于深海探测，能够使拍摄图像保留目标的光谱信息完整，使拍摄的图像显色均衡，避免了出现偏蓝偏绿的问题。

本发明提供的一种应用于深海探测的照明光源设计系统，能够达到上述有益效果。

本发明提供的一种应用于深海探测的照明光源设计设备，能够达到上述有益效果。

本发明提供的一种计算机可读存储介质，能够达到上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种应用于深海探测的照明光源设计方法的流程图；

图2为本发明实施例中不同波长光在海水中的衰减系数；

图3为本发明又一实施例提供的一种应用于深海探测的照明光源设计方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的一种应用于深海探测的照明光源设计系统的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参考图1，本发明实施例提供一种应用于深海探测的照明光源设计方法，包括以下步骤：

S10：获取照明光在海水中的衰减特性，所述衰减特性表示照明光光通量与波长以及传播距离的变化关系。

在具体实施时，获取照明光在海水中的衰减特性可通过以下方法进行，具体包括：模拟深海环境的温度、压强、盐度以及水质构建实验环境，通过测试实验以及对实验数据进行处理分析，获得不同波长照明光在海水中的衰减特性。根据实际探测时进入深海环境的深度，模拟海水中的温度、压强、盐度以及水质来构建实验环境，进行实验并对实验数据进行处理分析，以得到照明光在深海海水中的衰减特性。

更为具体的，可以以下方程表示照明光在海水中的衰减特性：

I＝I₀e^-μ(λ)l；

μ(λ)表示衰减系数，l表示衰减光程。其中衰减系数μ可以通过查阅文献资料或者通过实验获得。

S11：根据获得的所述衰减特性，确立用于表征照明光源发出照明光的光谱分布的光谱目标函数，以使得所述照明光源发出照明光符合所述光谱目标函数时探测所得图像保留目标的光谱信息完整。

在深海海水中，不同波长照明光具有不同的衰减特性，不同波长光的光通量衰减强弱不同，本步骤根据获得照明光的衰减特性，确立照明光源的光谱目标函数，所述光谱目标函数表示所设计照明光源发出的照明光要达到的光谱分布。

基于照明光在海水中的衰减特性，在确立的光谱目标函数中，可以增加衰减强的波长光光通量，以保证照明光源发出的照明光符合该光谱目标函数时，探测所得图像保留探测目标的光谱信息完整，使拍摄图像显色均衡。

进一步具体的，若所述照明光源应用于深海中近距离工作，则所述光谱目标函数中增加衰减强的光谱波段的光通量。这样保证探测器能够捕获到由探测目标返回的各波段光谱，拍摄图像中能保留探测目标全面的光谱信息，使图像显色均衡，避免出现偏蓝或者偏绿的问题。

可选的，若所述照明光源应用于深海中远距离工作，则所述光谱目标函数中去掉衰减强的光谱波段，并增加衰减弱的光谱波段的光通量。这样在深海中远距离探测时，由照明光源发出衰减弱的光谱波段光进行探测，该波段光传播距离远，提高了照明距离，并且相对可以降低系统功耗。

S12：依据确立的所述光谱目标函数，选择不同色光发光元件构建所述照明光源，以使得到的所述照明光源发出照明光的光谱分布符合所述光谱目标函数。

在具体实施时，可以采用不同色光LED芯片构建照明光源。可以通过模拟不同色光LED芯片的光谱曲线并模拟调整不同色光LED芯片的数量比例，来模拟构建发光元件阵列，以构建所述照明光源。

可选的，也可采用LED芯片和不同色光荧光粉构建照明光源，以LED芯片作为激发光源，激发荧光粉发出照明光。具体可以通过模拟不同色光LED芯片的光谱曲线以及不同色光荧光粉的光谱曲线，并模拟调整不同色光荧光粉的含量比例，来模拟构建所述照明光源。

示例性的，可以在计算机模拟程序中，模拟紫色LED芯片、蓝色LED芯片或者青色LED芯片的光谱曲线并模拟调整不同色光LED芯片的数量比例，来模拟构建发光元件阵列，以构建所述照明光源。

若采用LED芯片和不同色光荧光粉构建照明光源，可以在计算机模拟程序中，模拟紫色LED芯片、蓝色LED芯片或者青色LED芯片的光谱曲线以及绿色荧光粉、黄绿色荧光粉、黄色荧光粉、红色荧光粉或者深红色荧光粉的光谱曲线，并模拟调整不同色光荧光粉的含量比例，来模拟构建所述照明光源。示例性的，可以以紫色LED芯片为激发光源，与不同色光荧光粉组合；或者可以以蓝光LED芯片为激发光源，与不同色光荧光粉组合；或者以青色LED芯片与不同色光荧光粉组合。

下面以一具体实例对本实施例应用于深海探测的照明光源设计方法进行详细说明。

本具体实例中，请参考图2，图2为不同波长光在海水中的衰减系数，由图可以看出，在短波0.405μm以及长波0.635μm、长波0.650μm处光的衰减较大。相应的，在确立照明光源的光谱目标函数时，若照明光源应用于深海中近距离工作，可增加紫光波段到蓝光波段的光通量，具体可以增加照明光源短波0.405μm以及长波0.635μm、长波0.650μm处光的光通量。若照明光源应用于深海中远距离工作，则可以在光谱目标函数中去掉蓝光波段到绿光波段之外的光谱波段，增加蓝光波段到绿光波段的光通量，可以提高照明距离，相对可以降低系统功耗。

因此，本实施例提供的应用于深海探测的照明光源设计方法，得到的照明光源应用于深海探测，能够使探测所得图像保留目标的光谱信息完整，使拍摄的图像显色均衡，避免了出现偏蓝偏绿的问题。

请参考图3，本发明又一实施例提供一种应用于深海探测的照明光源设计方法，包括以下步骤：

S20：获取照明光在海水中的衰减特性，所述衰减特性表示照明光光通量与波长以及传播距离的变化关系。

本步骤的具体实施方式可参考上一实施例中相关步骤的详细描述，在此不再赘述。

S21：根据获得的所述衰减特性，确立用于表征照明光源发出照明光的光谱分布的光谱目标函数，以使得所述照明光源发出照明光符合所述光谱目标函数时探测所得图像保留目标的光谱信息完整。

S22：根据获得的所述衰减特性，确立用于表征所述照明光源发出照明光的光照度分布的照度目标函数，以使得所述照明光源发出照明光符合所述照度目标函数时探测所得图像亮度均匀。

在深海海水中，不同波长照明光具有不同的衰减特性，不同波长光的光通量衰减强弱不同，本步骤根据获得照明光的衰减特性，确立照明光源的照度目标函数，所述照度目标函数表示所设计照明光源发出的照明光要达到的光照度分布。使得照明光源发出照明光符合所述照度目标函数时探测所得图像亮度均匀，从而保证探测所得图像亮度均匀，避免出现现有技术中存在的图像中间区域亮边缘暗的问题。

S23：依据确立的所述光谱目标函数，选择不同色光发光元件构建所述照明光源，以使得到的所述照明光源发出照明光的光谱分布符合所述光谱目标函数。

S24：依据确立的所述照度目标函数，对所述照明光源进行二次配光，以使得到的所述照明光源发出照明光的光照度分布符合所述照度目标函数。

在具体实施时，可以通过折射方式对所述照明光源进行二次配光，或者可以通过折射与反射混合方式对所述照明光源进行二次配光。

在具体实施时，可采用全反射方式、镜面反射方式或者自由曲面反射对所述照明光源进行二次配光，用户可以根据实际情况选择具体的反射方式。本实施例中对反射面的面形、尺寸、反射率等不做限定，用户可以根据实际情况确定。

可选的，可以通过先折射再反射的方式或者先反射再折射的方式，对照明光源进行二次配光，用户可以根据实际情况选择具体的折射与反射混合方式。本实施例中对反射面的面形、尺寸、反射率等以及折射面的面形、尺寸、反射率等不做限定，用户可以根据实际情况确定。可选的，可以采用自由曲面实现通过折射与反射混合方式对照明光源进行二次配光。

示例性的，可以在计算机光学设计软件中，模拟进行照明光源的二次配光。

因此，本实施例提供的应用于深海探测的照明光源设计方法，根据获得的照明光在海水中的衰减特性，确立照明光源的光谱目标函数以及照度目标函数，根据所确立的光谱目标函数对照明光源进行光谱设计，根据所确立的照度目标函数对照明光源进行二次配光，不仅使得探测拍摄的图像显色均衡，避免了出现偏蓝偏绿的问题，并且保证了探测拍摄的图像亮度均匀。

相应的，请参考图4，本发明实施例还提供一种应用于深海探测的照明光源设计系统，包括：

获取模块30，用于获取照明光在海水中的衰减特性，所述衰减特性表示照明光光通量与波长以及传播距离的变化关系；

第一确立模块31，用于根据获得的所述衰减特性，确立用于表征照明光源发出照明光的光谱分布的光谱目标函数，以使得所述照明光源发出照明光符合所述光谱目标函数时探测所得图像保留目标的光谱信息完整；

构建模块32，用于依据确立的所述光谱目标函数，选择不同色光发光元件构建所述照明光源，以使得到的所述照明光源发出照明光的光谱分布符合所述光谱目标函数。

可以看出，本实施例提供的应用于深海探测的照明光源设计系统，首先获取照明光在海水中的衰减特性，然后根据获得的衰减特性，确立用于表征照明光源发出照明光的光谱分布的光谱目标函数，能够使照明光源发出的照明光符合所述光谱目标函数时探测所得图像保留目标的光谱信息完整，进一步根据确立的光谱目标函数，选择不同色光发光元件构建照明光源，以使得到的照明光源发出照明光的光谱分布符合所述光谱目标函数。本实施例应用于深海探测的照明光源设计系统，得到的照明光源应用于深海探测，能够使拍摄图像保留目标的光谱信息完整，使拍摄的图像显色均衡，避免了出现偏蓝偏绿的问题。

本实施例提供的应用于深海探测的照明光源设计系统中，获取模块30、第一确立模块31、构建模块32对数据的具体处理方法均可参考上述关于应用于深海探测的照明光源设计方法的实施例描述内容，在此不再赘述。

进一步优选的，本实施例提供的应用于深海探测的照明光源设计系统，还包括：

第二确立模块，用于根据获得的所述衰减特性，确立用于表征所述照明光源发出照明光的光照度分布的照度目标函数，以使得所述照明光源发出照明光符合所述照度目标函数时探测所得图像亮度均匀；

配光模块，用于依据确立的所述照度目标函数，对所述照明光源进行二次配光，以使得到的所述照明光源发出照明光的光照度分布符合所述照度目标函数。

本实施例应用于深海探测的照明光源设计系统，根据获得的照明光在海水中的衰减特性，确立照明光源的光谱目标函数以及照度目标函数，根据所确立的光谱目标函数对照明光源进行光谱设计，根据所确立的照度目标函数对照明光源进行二次配光，不仅使得探测拍摄的图像显色均衡，避免了出现偏蓝偏绿的问题，并且保证了探测拍摄的图像亮度均匀。

本实施例中，第二确立模块、配光模块对数据的具体处理方法均可参考上述关于应用于深海探测的照明光源设计方法的实施例描述内容，在此不再赘述。

相应的，本发明实施例还提供一种应用于深海探测的照明光源设计设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

可以看出，本实施例提供的应用于深海探测的照明光源设计设备，得到的照明光源应用于深海探测，能够使拍摄图像保留目标的光谱信息完整，使拍摄的图像显色均衡，避免了出现偏蓝偏绿的问题。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的应用于深海探测的照明光源设计方法的步骤。

可以看出，本实施例提供的计算机可读存储介质，其上存储的计算机程序被执行时，得到的照明光源应用于深海探测，能够使拍摄图像保留目标的光谱信息完整，使拍摄的图像显色均衡，避免了出现偏蓝偏绿的问题。

以上对本发明所提供的应用于深海探测的照明光源设计方法及相关设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种应用于深海探测的照明光源设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的应用于深海探测的照明光源设计方法，其特征在于，

若所述照明光源应用于深海中近距离工作，则所述光谱目标函数中增加衰减强的光谱波段的光通量；

3.根据权利要求1或者2所述的应用于深海探测的照明光源设计方法，其特征在于，以以下方程表示照明光在海水中的衰减特性：

I＝I₀e^-μ(λ)l；

其中，I表示衰减后照明光的光通量，I₀表示原始照明光的光通量，μ(λ)表示衰减系数，l表示衰减光程。

4.根据权利要求1或者2所述的应用于深海探测的照明光源设计方法，其特征在于，所述获取照明光在海水中的衰减特性包括：

5.根据权利要求1或者2所述的应用于深海探测的照明光源设计方法，其特征在于，所述依据确立的所述光谱目标函数，选择不同色光发光元件构建所述照明光源包括：

6.根据权利要求1所述的应用于深海探测的照明光源设计方法，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求6所述的应用于深海探测的照明光源设计方法，其特征在于，通过折射方式对所述照明光源进行二次配光，或者通过折射与反射混合方式对所述照明光源进行二次配光。

8.一种应用于深海探测的照明光源设计系统，其特征在于，包括：

9.一种应用于深海探测的照明光源设计设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任一项所述的应用于深海探测的照明光源设计方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的应用于深海探测的照明光源设计方法的步骤。