CN111157115A - 一种水下布里渊散射光谱获取方法及装置 - Google Patents

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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications

Abstract

本发明公开了一种水下布里渊散射光谱获取方法及装置，所述方法包括：获取布里渊散射光经过第一边缘滤波器后得到的第一散射光的第一能量值；以及获得未通过所述第一边缘滤波器的第一反射光；获取所述第一反射光经过第二边缘滤波器后得到的第二散射光的第二能量值；以及获得未经过所述第二边缘滤波器的第二反射光；获取所述第二反射光的剩余能量值；根据所述第一能量值、所述第一边缘滤波器的传输函数、所述第二能量值、所述第二边缘滤波器的传输函数以及所述剩余能量值，获得所述布里渊散射光的光谱频移以及光谱线宽；根据所述光谱频移和所述光谱线宽进行反演，获得所述布里渊散射光的光谱。本发明能够实现布里渊散射光谱的实时、稳定的获取。

Description

一种水下布里渊散射光谱获取方法及装置
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种水下布里渊散射光谱获取方法 及装置。
背景技术
布里渊激光雷达是一种新兴海洋遥感探测技术，通过测量海水布里渊散射 光谱中的频移和线宽等特征参数可以实现海洋声速、温度以及盐度等环境参数 的反演和水下目标的探测。
最早采用传统扫描干涉仪技术测量布里渊散射光谱，扫描干涉技术可以精 确获取散射光谱，但是需要入射到干涉仪的光必须严格准直，这在实际环境中 比较困难；另外扫描需要一定时间，无法做到对散射光谱的实时快速测量，限 制了实际应用。边缘探测技术，使用分子吸收池作为边缘滤波器，通过检测透 过该滤波器的能量变化进行布里渊频移的反演。但目前的边缘探测技术无法实 现对布里渊线款及整体散射光谱的获取，更无法调整测量范围。F-P标准具结 合ICCD的探测方法，虽然能够实现整体布里渊散射光谱的测量，但是受限于 ICCD现有积分时间限制，基于上述测量装置的方法均不能够实现垂直方向整体廓线的实时布里渊散射光谱。
因此，目前急需一中能够实现布里渊散射光谱的实时、稳定的获取方法。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出了一种水下布里渊散射光谱获取方法及装置， 能够实时获取布里渊散射光光谱，且具有较高反演精度与稳定性。
第一方面，本申请通过一实施例提供如下技术方案：
一种水下布里渊散射光谱获取方法，包括：
获取布里渊散射光经过第一边缘滤波器后得到的第一散射光的第一能量 值；以及获得未通过所述第一边缘滤波器的第一反射光；其中，所述第一能量 值包含所述布里渊散射光的频移特征以及线宽特征；
获取所述第一反射光经过第二边缘滤波器后得到的第二散射光的第二能 量值；以及获得未经过所述第二边缘滤波器的第二反射光；其中，所述第二能 量值包含所述布里渊散射光的频移特征以及线宽特征；
获取所述第二反射光的剩余能量值；
根据所述第一能量值、所述第一边缘滤波器的传输函数、所述第二能量值、 所述第二边缘滤波器的传输函数以及所述剩余能量值，获得所述布里渊散射光 的光谱频移以及光谱线宽；
根据所述光谱频移和所述光谱线宽进行反演，获得所述布里渊散射光的光 谱。
优选地，所述根据所述第一能量值、所述第一边缘滤波器的传输函数、所 述第二能量值、所述第二边缘滤波器的传输函数以及所述剩余能量值，获得所 述布里渊散射光的光谱频移以及光谱线宽，包括：
根据所述第一能量值与所述剩余能量值之比，获得第一相对能量；
根据所述第二能量值与所述剩余能量值之比，获得第二相对能量；
根据所述第一相对能量、所述第二相对能量、所述第一边缘滤波器的传输 函数以及所述第二边缘滤波器的传输函数，获得所述光谱频移和所述光谱线宽。
优选地，所述获取布里渊散射光经过第一边缘滤波器之前，包括：
将所述布里渊散射光通过带阻滤波器进行滤波，获得去除噪声后的所述获 取布里渊散射光。
优选地，所述带阻滤波器的参数包括：光谱频偏为0，光谱半高全宽为4.4； 自由光谱范围为20。
优选地，所述第一边缘滤波器的参数包括：光谱频偏为5.5，光谱半高全宽 为0.4，自由光谱范围为10.1。
优选地，所述第二边缘滤波器的参数包括：光谱频偏为9.3，光谱半高全宽 为0.4，自由光谱范围为18.6。
第二方面，基于同一发明构思，本申请通过一实施例提供如下技术方案：
一种水下布里渊散射光谱获取装置，包括：
第一能量值获取模块，用于获取布里渊散射光经过第一边缘滤波器后得到 的第一散射光的第一能量值；以及获得未通过所述第一边缘滤波器的第一反射 光；其中，所述第一能量值包含所述布里渊散射光的频移特征以及线宽特征；
第二能量值获取模块，用于获取所述第一反射光经过第二边缘滤波器后得 到的第二散射光的第二能量值；以及获得未经过所述第二边缘滤波器的第二反 射光；其中，所述第二能量值包含所述布里渊散射光的频移特征以及线宽特征；
剩余能量值获取模块，用于获取所述第二反射光的剩余能量值；
频移、线宽获取模块，用于根据所述第一能量值、所述第一边缘滤波器的 传输函数、所述第二能量值、所述第二边缘滤波器的传输函数以及所述剩余能 量值，获得所述布里渊散射光的光谱频移以及光谱线宽；
光谱获取模块，用于根据所述光谱频移和所述光谱线宽进行反演，获得所 述布里渊散射光的光谱。
优选地，所述频移、线宽获取模块，还具体用于：
根据所述第一能量值与所述剩余能量值之比，获得第一相对能量；
根据所述第二能量值与所述剩余能量值之比，获得第二相对能量；
根据所述第一相对能量、所述第二相对能量、所述第一边缘滤波器的传输 函数以及所述第二边缘滤波器的传输函数，获得所述光谱频移和所述光谱线宽。
第三方面，基于同一发明构思，本申请通过一实施例提供如下技术方案：
一种水下布里渊散射光谱获取装置，包括处理器和存储器，所述存储器耦 接到所述处理器，所述存储器存储指令，当所述指令由所述处理器执行时使所 述水下布里渊散射光谱获取装置执行第一方面中任一项所述方法的步骤。
第四方面，基于同一发明构思，本申请通过本申请的一实施例提供如下技 术方案：
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行 时实现第一方面中任一项所述方法的步骤。
本发明实施例提供的一种水下布里渊散射光谱获取方法及装置，所述方法 通过获取布里渊散射光经过第一边缘滤波器后得到的第一散射光的第一能量 值；获取第一反射光经过第二边缘滤波器后得到的第二散射光的第二能量值； 获取第二反射光的剩余能量值；然后，根据第一能量值、第一边缘滤波器的传 输函数、第二能量值、第二边缘滤波器的传输函数以及剩余能量值，就可同时 得到布里渊散射光的光谱频移以及光谱线宽，最后通过光谱频移和光谱线宽进 行反演，获得布里渊散射光的光谱。整个过程可以实时获取第一能量值、第二 能量值以及剩余能量值，具有良好的实时性，同时获取两个边缘能量可以同时 反演布里渊散射的频域与线宽，通过第一能量值、第二能量值以及剩余能量值 三个能量值来重构整个布里渊散射光光谱，使得本方法具有较高反演精度与稳 定性，较低的环境限制。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术 手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、 特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领 域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并 不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的 部件。在附图中：
图1示出了本发明第一实施例提供的一种水下布里渊散射光谱测试系统的 结构示意图；
图2示出了本发明第二实施例提供的一种水下布里渊散射光谱获取方法的 方法流程图；
图3示出了本发明第二实施例中光谱频移、光谱线宽作为第一、第二边缘 滤波器两个能量比值反演结果的示意图；
图4示出了本发明第三实施例提供的一种水下布里渊散射光谱获取装置的 功能模块框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了 本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被 这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本 公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
第一实施例
请参见图1，图1示出了本实施例中的一种水下布里渊散射光谱测试系统 100的结构示意图，该系统100包括：带阻滤波器11，第一边缘滤波器21，第 一光能量探测装置31，第二边缘滤波器22，第二光能量探测装置32以及第三 光能量探测装置33。各结构的配合关系以及作用如下：
带阻滤波器11，用于对通过的布里渊散射光进行滤波处理，获得去除噪声 后的所述布里渊散射光；
第一边缘滤波器21，用于接收去除噪声后的所述布里渊散射光，并通过所 述布里渊散射光中的第一散射光，且获得反射后的第一反射光；
第一光能量探测装置31，用于接收所述第一散射光，并探测所述第一散射 光中的第一能量值；其中，所述第一能量值包含所述布里渊散射光的频移特征 及线宽特征；
第二边缘滤波器22，用于接收所述第一散射光，并通过所述第一散射光中 的第二散射光，且获得反射后的第二反射光；
第二光能量探测装置32，用于接收所述第二散射光，并探测所述第二散射 光中的第二能量值；其中，所述第二能量值包含所述布里渊散射光的频移特征 和线宽特征。
第三光能量探测装置33，用于接收所述第二反射光，并探测所述第二反射 光的剩余能量值。
通过该系统100理论上不同线宽和频移条件下透过这第一边缘滤波器21 和第二边缘滤波器22的能量也不相同，因此通过频移特征和线宽特征能量即 可实现对频移和线宽的测量，也即可根据系统测量的第一能量值、第二能量值 以及剩余能量值，获得布里渊散射光的光谱频移以及光谱线宽；再根据光谱频 移和光谱线宽进行反演，实时获得布里渊散射光的光谱。
为了产生易于测量的散射光，提高系统100测量线宽特征以及频移特征的 准确性，本实施例中的系统100还包括激光器，该激光器用于向待测的目标水 域发射激光，并产生后向瑞利布里渊散射光；其中，带阻滤波器11，还具体用 于接收后向瑞利布里渊散射光。并且优选地，该激光器为为低脉冲能量高重复 频率的激光器。
在本系统100中，可通过望远镜接收后向瑞利布里渊散射光；另外，各个 滤波器之间的光路可通过反射镜41进行改变，反射镜41的布置方式不做限 制。
第一光能量探测装置31、第二光能量探测装置32以及第三光能量探测装 置33均可为PMT(photomultiplier tubes，光电倍增管)。
由于在该系统100中需要保证布里渊散射光有足够的能量被三个探测装置 接收到，因此，对带阻滤波器11以及两个边缘滤波器的参数设置就显得非常 重要，既要保证边缘滤波器对布里渊散射光光谱变化足够敏感，又要保证PMT 接收到的能量尽可能的强，方便检测。本实施例中采用如下的参数设置：
带阻滤波器11的参数包括：光谱频偏为0，光谱半高全宽为4.4，自由光 谱范围为20。
第一边缘滤波器21与第二边缘滤波器22可采用F-P(Fabry-Perot，法布 里-珀罗)干涉仪。此时有：
第一边缘滤波器21的参数包括：光谱频偏为5.5，光谱半高全宽为0.4， 自由光谱范围为10.1，以此提取布里渊散射光光谱的线宽特征。第二边缘滤波 器22的参数包括：光谱频偏为9.3，光谱半高全宽为0.4，自由光谱范围为18.6。 同时，可将F-P干涉仪的传输函数确定为
Figure BDA0002323786780000071
其中，Ti为传输函数，FSRi是第i个边缘滤波器的自由光谱范围，Γi为第i个边缘 滤波器的半高全宽，v为频率，i＝1或2(第一边缘滤波器21或第二边缘滤波 器22)。
本实施例的系统100优选地可应用于温度小于等于20℃的水域，尤其是 应用于温度小于等于10℃的水域，详细阐述继续参阅后述的第二实施例。
本实施例中的系统100扩展了边缘探测技术的测量功能，可根据系统测量 的第一能量值、第二能量值以及剩余能量值，获得布里渊散射光的光谱频移以 及光谱线宽；再根据光谱频移和光谱线宽进行反演，实时获得布里渊散射光的 光谱，实现整体布里渊光谱的测量。采用本实施中的系统100可实时进行布里 渊散射光的光谱频移和光谱线宽的测量获取，并且具备良好的时效性与稳定性， 可应用于激光雷达在温度、盐度等环境要素遥感上。
需要说明的是，基于本实施例中的系统100进行反演布里渊散射光光谱的 详细过程以及具体应用场景的描述可参见第二实施例中阐述的内容。
第二实施例
请参阅图2，图2中示出了本实施例中的一种水下布里渊散射光谱获取方 法的方法流程图，该方法可采用第一实施例中系统所测量得到的参数，所述方 法包括：
步骤S10：获取布里渊散射光经过第一边缘滤波器后得到的第一散射光的 第一能量值；以及获得未通过所述第一边缘滤波器的第一反射光；其中，所述 第一能量值包含所述布里渊散射光的频移特征以及线宽特征；
步骤S20：获取所述第一反射光经过第二边缘滤波器后得到的第二散射光 的第二能量值；以及获得未经过所述第二边缘滤波器的第二反射光；其中，所 述第二能量值包含所述布里渊散射光的频移特征和频移特征以及线宽特征；
步骤S30：获取所述第二反射光的剩余能量值；
步骤S40：根据所述第一能量值、所述第一边缘滤波器的传输函数、所述 第二能量值、所述第二边缘滤波器的传输函数以及所述剩余能量值，获得所述 布里渊散射光的光谱频移以及光谱线宽；
步骤S50：根据所述光谱频移和所述光谱线宽进行反演，获得所述布里渊 散射光的光谱。
需要说明的是，在步骤S10之前可进行去噪步骤，见底噪声干扰。具体为： 将布里渊散射光通过带阻滤波器进行滤波，获得去除噪声后的获取布里渊散射 光。
经过带阻滤波器后的布里渊散射光光谱可以表示为：
Figure BDA0002323786780000081
其中，IB(vB，ΓB)为经过带阻滤波器后去噪的布里渊散射光光谱，vB为布里 渊散射光谱频偏，ΓB为布里渊散射光光谱半高全宽(本文中同光谱线宽，下同)， v为频率。
在步骤S10-S30中，第一能量值、第二能量值以及剩余能量值可以从相应 的测量装置中获取，例如从第一实施例中对应的第一光能量探测装置、第二光 能量探测装置以及第三光能量探测装置中获取。
具体的，在本实施例中第一能量值采用如下的表示方式，引入光谱频移及 光谱线宽：
Figure BDA0002323786780000082
其中，IB(vB，ΓB)为布里渊散射光光谱，I1为第一能量值，T1为第一边缘滤 波器的传输函数，Г1为第一边缘滤波器的半高全宽，v为频率，vB为布里渊散射 光谱频偏，ΓB为布里渊散射光谱半高全宽。
第二能量值采用如下的表示方式，引入光谱频移及光谱线宽：
Figure BDA0002323786780000091
其中，I2为第二能量值，T2为第二边缘滤波器的传输函数，Γ2为第二边缘 滤波器的半高全宽，v为频率，vB为布里渊散射光谱频偏，ΓB为布里渊散射光 谱半高全宽。
在本实施例中，采用F-P干涉仪作为边缘滤波器，因此传输函数Ti′以Airy 函数给出，具体为：
Figure BDA0002323786780000092
其中，Ti为传输函数，FSRi是第i个边缘滤波器的自由光谱范围，Γi为第i个 边缘滤波器的半高全宽，v为频率，i＝1或2(第一边缘滤波器或第二边缘滤波 器)。
剩余能量值采用如下的表示方式：
Figure BDA0002323786780000093
进一步的，为了消除能量接收的不稳定性，本实施例中采用相对能量值作 为实际测量信号，提高能量值的准确性。
也即执行步骤S40中确定光谱频移以及光谱线宽时可包括如下步骤：
步骤S41：根据所述第一能量值与所述剩余能量值之比，获得第一相对能 量；
步骤S42：根据所述第二能量值与所述剩余能量值之比，获得第二相对能 量；
步骤S43：根据所述第一相对能量、所述第二相对能量、所述第一边缘滤 波器的传输函数以及所述第二边缘滤波器的传输函数，获得所述光谱频移和所 述光谱线宽。
在步骤S41-S42中，将第一能量值I1和第二能量值I2分别与剩余能量值Ig进行比值，获得相对能量S1和S2，如下：
Figure BDA0002323786780000101
其中，S1为第一相对能量，S2为第二相对能量，通过上述处理消除了第一 能量值与第二能量值之间的不稳定性。
在步骤S43中，由于知晓第一相对能量、第二相对能量、第一边缘滤波器 的传输函数以及第二边缘滤波器的传输函数，就可获得布里渊反射光谱的光谱 频移vB(S1，S2)和光谱线宽ΓB(S1，S2)。
不同光谱线宽和光谱频移条件下透过这两个边缘滤波器的能量也不相同， 因此通过两个特征能量即可实现对频移和线宽的测量。最后执行步骤S50，由 于海水的布里渊散射光光谱服从洛伦兹函数形式，所以有：
Figure BDA0002323786780000102
其中，f(v，vB)为布里渊散射光光谱，vB为光谱频移，ΓB为光谱线宽，v为 频率。根据上述反演模型，获得最终的布里渊散射光光谱。
在本实施例中，既要保证边缘滤波器对布里渊散射光光谱变化足够敏感， 又要保证检测到的第一能量值、第二能量值以及剩余能量值的数据准确性。在 本实施例中基于实际海水中布里渊光谱特征，通过计算机遍历的方法优化边缘 滤波器参数，可获得带阻滤波器、第一边缘滤波器以及第二边缘滤波器的较优 设置方案，具体如下：
表1获取数据时各滤波器参数设置
Figure BDA0002323786780000103
Figure BDA0002323786780000111
进一步的，以具体的实例对本发明的一种水下布里渊散射光谱获取方法进 行说明，具体如下：
基于表1中的参数，将利用数值拟合程序通过仿真的形式进行反演模型的 构建。第一步是基于理论公式得到不同光谱频移和光谱线宽条件下的第一、第 二相对能量S1和S2，如下表2和表3所示。
表2不同光谱频移VB和光谱线宽ГB下的第一边缘滤波器的归一化能量E1(10-2)
Figure BDA0002323786780000112
表3不同光谱频移VB和光谱线宽ΓB下的第二边缘滤波器的归一化能量E2(10-2)
Figure BDA0002323786780000113
表2和表3展示了两组三维数据：(S1，S2，VB)和(S1，S2，ΓB)。以这两组数据 为样本点，根据最小二乘法进行频移和线宽的经验公式拟合，结果如图3所示 (其中，A为光谱频移作为第一、第二边缘滤波器两个能量比值反演结果，B 为光谱线宽作为第一、第二边缘滤波器两个能量比比值反演结果)。完成拟合 后的具体你和模型为：
VB(S1，S2)＝r1+r2S1+r3S2+r4(S1)2+r5(S2)2+r6S1S2+r7(S1)3 +r8(S2)3+r9S1(S2)2+r10(S1)2S2
ΓB(S1，S2)＝t1+t2S1+t3S2+t4(S1)2+t5(S2)2+t6S1S2+t7(S1)3 +t8(S2)3+t9S1(S2)2+t10(S1)2S2
其中，ΓB和VB的单位为GHz，r1～r10以及t1～t10为拟合参数，其他参数请参 考前述阐述，不再赘述。拟合参数具体如下：
表4 r1～r10的参数值
r<sub>1</sub>＝7.68953×10<sup>3</sup> r<sub>2</sub>＝4.54470×10<sup>3</sup>
r<sub>3</sub>＝-4.32826×10<sup>3</sup> r<sub>4</sub>＝1.00227×10<sup>3</sup>
r<sub>5</sub>＝-9.91561×10<sup>2</sup> r<sub>6</sub>＝4.44217×10<sup>1</sup>
r<sub>7</sub>＝4.72354×10<sup>1</sup> r<sub>8</sub>＝-4.80650×10<sup>1</sup>
r<sub>9</sub>＝-1.07892×10<sup>2</sup> r<sub>10</sub>＝1.13459×10<sup>2</sup>
表5 t1～t10的参数值
t<sub>1</sub>＝-5.65539×10<sup>2</sup> t<sub>2</sub>＝3.75370×10<sup>4</sup>
t<sub>3</sub>＝3.77333×10<sup>4</sup> t<sub>4</sub>＝-8.08552×10<sup>5</sup>
t<sub>5</sub>＝-8.15555×10<sup>5</sup> t<sub>6</sub>＝2.29871×10<sup>5</sup>
t<sub>7</sub>＝4.38531×10<sup>6</sup> t<sub>8</sub>＝4.35425×10<sup>6</sup>
t<sub>9</sub>＝9.52144×10<sup>6</sup> t<sub>10</sub>＝8.76976×10<sup>6</sup>
基于以上模型，可通过双边缘探测技术得到的特征能量同步反演光谱频移 和光谱线宽。
进一步的，在本实施例中还对上述方法的鲁棒性进行验证，确定出最佳的 使用环境。具体如下：
通过分析拟合误差，计算经验函数的准确性和鲁棒性，并估计通过该模型 获得的光谱频移和光谱线宽的灵敏度。
由于上述反演模型为根据实际仿真数据进行拟合得到的经验公式，所以首 先分析经验公式与实际仿真数据之间的误差以评估经验公式的符合程度。通过 经验公式对频移拟合模型VB(E1,E2)和线宽拟合模型ΓB(E2,E2)的计算值与表1 和表2数据对比，可以得到通过第一、第二缘滤波器形成的双边缘滤波获得的 光谱频移的误差最大为±4MHz，半高全宽的误差大部分分布在±6MHz，除个 别点在±12MHz。在测量布里渊反射光光谱频移和光谱线宽时，这些误差在可 接受的范围之内。
进一步的，分析该模型对频移和线宽测量的敏感度和依赖性。频移和线宽 在理论上是相互独立的，在反演模型中它们的值只是由边缘滤波器的测量的第 一能量值、第二能量值以及剩余能量值决定。反演模型的敏感性，即能量比值 S1、S2的微小变化能否引起光谱频移和光谱线宽的改变。利用拟合处的模型 VB(S1，S2)以及ΓB(S1，S2)，第一边缘滤波器测量值造成的光谱频移变化可以表示 为：
Figure BDA0002323786780000131
其中，
Figure BDA0002323786780000135
依次为：
Figure BDA0002323786780000132
Figure BDA0002323786780000133
Figure BDA0002323786780000134
假定边缘滤波器相对能量值的最小分辨率为0.01％，这里取能量抖动ΔS＝ 1×10-4，则灵敏度可以表示为
Figure BDA0002323786780000136
Figure BDA0002323786780000137
具体的，在温度0-30℃，盐度0-35‰的情况下进行误差分析， 可获得能量抖动带来的误差：
表6
Figure BDA0002323786780000138
与
Figure BDA0002323786780000139
对比(S1：1％-5％；S2：1％-5％)
Figure BDA00023237867800001310
表7
Figure BDA0002323786780000141
与
Figure BDA0002323786780000142
对比(S1：1％-5％；S2：1％-5％)
Figure BDA0002323786780000143
由表6和7可以看出接收能量每0.01的抖动会带来布里渊线宽6MHz的 平均误差。这个数值要比对布里渊频移不到1MHz的误差要大很多。
进一步的，对依据光谱频移和光谱线宽进行温度和盐度同步反演时对最终 反演结果精度分析。可获温度、盐度变化带来的误差情况：
表8频移灵敏度对温度盐度反演误差
Figure BDA0002323786780000144
表9线宽灵敏度对温度盐度反演误差
Figure BDA0002323786780000145
由表8和表9可知，采用双边缘探测技术反演布里渊散射光谱进而反演海 水温度和盐度时，光谱频移对温度和盐度的平均误差均为分别为0.1℃和0.1psu； 而线宽对温度平均误差为0.3℃，对盐度平均误差为0.5℃，并且最大误差分别 达到了0.6℃和1.0psu。也可以看出测量能量的不稳定性对光谱线宽的影响较 大进而也反映在最终对温度、盐度的测量精度上。
分析上述误差的原因可知，布里渊光谱频移是散射峰最高点，具有明显的 特征进行识别；而布里渊光谱线宽则取决于整体谱线的形状，其增加或者减小 一点，对能量造成的变化不如频移的左右一点那么敏感，因而其测量误差相对 较大。通过本实施例中的布里渊散射光的反演过程可以知，当海水温度较低， 约为10℃时，光谱线宽误差对温、盐测量造成的影响较小；而当温度在30℃ 左右时，光谱线宽误差对测量造成的影响较大，而光谱频移对测量带来的影响 都不大。根据本实施例中的布里渊散射光的反演过程进一步分析可知，当海水 温度不超过20℃时，本实施例中的方法反演海水温度误差为0.2℃，盐度误差为0.5‰，此时测量精度比较高。当温度高于20℃后，温度和盐度误差将会变 大，温度误差最大可到0.6℃，盐度误差最大可到1‰。从而在低温时测量精度 更高。可见本实施例中较优选的应用环境为，30℃以下的水域环境，更优选的 为20℃以下的水域环境。
综上所述，本实施例中提供的一种水下布里渊散射光谱获取方法，通过获 取布里渊散射光经过第一边缘滤波器后得到的第一散射光的第一能量值；获取 第一反射光经过第二边缘滤波器后得到的第二散射光的第二能量值；获取第二 反射光的剩余能量值；然后，根据第一能量值、第一边缘滤波器的传输函数、 第二能量值、第二边缘滤波器的传输函数以及剩余能量值，就可同时得到布里 渊散射光的光谱频移以及光谱线宽，最后通过光谱频移和光谱线宽进行反演， 获得布里渊散射光的光谱。整个过程可以实时获取第一能量值、第二能量值以 及剩余能量值，具有良好的实时性，同时获取两个边缘能量可以同时反演布里 渊散射的频域与线宽，通过第一能量值、第二能量值以及剩余能量值三个能量 值来重构整个布里渊散射光光谱，使得本方法具有较高反演精度与稳定性，较 低的环境限制。
第三实施例
请参阅图4，基于同一发明构思，在本实施例中还提供了一种水下布里渊 散射光谱获取装置300，所述装置300包括：
第一能量值获取模块301，用于获取布里渊散射光经过第一边缘滤波器后 得到的第一散射光的第一能量值；以及获得未通过所述第一边缘滤波器的第一 反射光；其中，所述第一能量值包含所述布里渊散射光的频移特征以及线宽特 征；
第二能量值获取模块302，用于获取所述第一反射光经过第二边缘滤波器 后得到的第二散射光的第二能量值；以及获得未经过所述第二边缘滤波器的第 二反射光；其中，所述第二能量值包含所述布里渊散射光的频移特征以及线宽 特征；
剩余能量值获取模块303，用于获取所述第二反射光的剩余能量值；
频移、线宽获取模块304，用于根据所述第一能量值、所述第一边缘滤波 器的传输函数、所述第二能量值、所述第二边缘滤波器的传输函数以及所述剩 余能量值，获得所述布里渊散射光的光谱频移以及光谱线宽；
光谱获取模块305，用于根据所述光谱频移和所述光谱线宽进行反演，获 得所述布里渊散射光的光谱。
优选地，所述频移、线宽获取模块304，还具体用于：
根据所述第一能量值与所述剩余能量值之比，获得第一相对能量；
根据所述第二能量值与所述剩余能量值之比，获得第二相对能量；
根据所述第一相对能量、所述第二相对能量、所述第一边缘滤波器的传输 函数以及所述第二边缘滤波器的传输函数，获得所述光谱频移和所述光谱线宽。
需要说明的是，本发明实施例所提供的一种水下布里渊散射光谱获取装置 300，其具体实现及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置 实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
第四实施例
另外，基于同一发明构思，本发明第四实施例还提供了一种水下布里渊散 射光谱获取装置，包括处理器和存储器，所述存储器耦接到所述处理器，所述 存储器存储指令，当所述指令由所述处理器执行时使所述用户终端执行以下操 作：
获取布里渊散射光经过第一边缘滤波器后得到的第一散射光的第一能量 值；以及获得未通过所述第一边缘滤波器的第一反射光；其中，所述第一能量 值包含所述布里渊散射光的频移特征以及线宽特征；获取所述第一反射光经过 第二边缘滤波器后得到的第二散射光的第二能量值；以及获得未经过所述第二 边缘滤波器的第二反射光；其中，所述第二能量值包含所述布里渊散射光的频 移特征以及线宽特征；获取所述第二反射光的剩余能量值；根据所述第一能量 值、所述第一边缘滤波器的传输函数、所述第二能量值、所述第二边缘滤波器 的传输函数以及所述剩余能量值，获得所述布里渊散射光的光谱频移以及光谱 线宽；根据所述光谱频移和所述光谱线宽进行反演，获得所述布里渊散射光的 光谱。
需要说明的是，本发明实施例所提供的一种水下布里渊散射光谱获取装置， 其中的执行步骤具体实现及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描 述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
本发明提供的装置集成的功能模块如果以软件功能模块的形式实现并作 为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于 这样的理解，本发明实现上述实施例的方法中的全部或部分流程，也可以通过 计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可 读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例 的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可 以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机 可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介 质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read- OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信 号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含 的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在 某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和 电信信号。
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有 相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构 造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程 语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且 上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发 明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细 示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或 多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一 起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法 解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确 记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发 明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式 的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为 本发明的单独实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适 应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实 施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它 们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的 至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要 求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有 过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、 摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征 来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施 例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着 处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中， 所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器 上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解， 可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实 施例的装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为 用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计 算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可 读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网 网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并 且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施 例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的 限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前 的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若 干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的 单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。 单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名 称。

Claims (10)

1.一种水下布里渊散射光谱获取方法，其特征在于，包括：
获取布里渊散射光经过第一边缘滤波器后得到的第一散射光的第一能量值；以及获得未通过所述第一边缘滤波器的第一反射光；其中，所述第一能量值包含所述布里渊散射光的频移特征以及线宽特征；
获取所述第一反射光经过第二边缘滤波器后得到的第二散射光的第二能量值；以及获得未经过所述第二边缘滤波器的第二反射光；其中，所述第二能量值包含所述布里渊散射光的频移特征以及线宽特征；
获取所述第二反射光的剩余能量值；
根据所述第一能量值、所述第一边缘滤波器的传输函数、所述第二能量值、所述第二边缘滤波器的传输函数以及所述剩余能量值，获得所述布里渊散射光的光谱频移以及光谱线宽；
根据所述光谱频移和所述光谱线宽进行反演，获得所述布里渊散射光的光谱。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一能量值、所述第一边缘滤波器的传输函数、所述第二能量值、所述第二边缘滤波器的传输函数以及所述剩余能量值，获得所述布里渊散射光的光谱频移以及光谱线宽，包括：
根据所述第一能量值与所述剩余能量值之比，获得第一相对能量；
根据所述第二能量值与所述剩余能量值之比，获得第二相对能量；
根据所述第一相对能量、所述第二相对能量、所述第一边缘滤波器的传输函数以及所述第二边缘滤波器的传输函数，获得所述光谱频移和所述光谱线宽。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取布里渊散射光经过第一边缘滤波器之前，包括：
将所述布里渊散射光通过带阻滤波器进行滤波，获得去除噪声后的所述获取布里渊散射光。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述带阻滤波器的参数包括：光谱频偏为0，光谱半高全宽为4.4；自由光谱范围为20。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一边缘滤波器的参数包括：光谱频偏为5.5，光谱半高全宽为0.4，自由光谱范围为10.1。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二边缘滤波器的参数包括：光谱频偏为9.3，光谱半高全宽为0.4，自由光谱范围为18.6。
7.一种水下布里渊散射光谱获取装置，其特征在于，包括：
第一能量值获取模块，用于获取布里渊散射光经过第一边缘滤波器后得到的第一散射光的第一能量值；以及获得未通过所述第一边缘滤波器的第一反射光；其中，所述第一能量值包含所述布里渊散射光的频移特征以及线宽特征；
第二能量值获取模块，用于获取所述第一反射光经过第二边缘滤波器后得到的第二散射光的第二能量值；以及获得未经过所述第二边缘滤波器的第二反射光；其中，所述第二能量值包含所述布里渊散射光的频移特征以及线宽特征；
剩余能量值获取模块，用于获取所述第二反射光的剩余能量值；
频移、线宽获取模块，用于根据所述第一能量值、所述第一边缘滤波器的传输函数、所述第二能量值、所述第二边缘滤波器的传输函数以及所述剩余能量值，获得所述布里渊散射光的光谱频移以及光谱线宽；
光谱获取模块，用于根据所述光谱频移和所述光谱线宽进行反演，获得所述布里渊散射光的光谱。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述频移、线宽获取模块，还具体用于：
根据所述第一能量值与所述剩余能量值之比，获得第一相对能量；
根据所述第二能量值与所述剩余能量值之比，获得第二相对能量；
根据所述第一相对能量、所述第二相对能量、所述第一边缘滤波器的传输函数以及所述第二边缘滤波器的传输函数，获得所述光谱频移和所述光谱线宽。
9.一种水下布里渊散射光谱获取装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器耦接到所述处理器，所述存储器存储指令，当所述指令由所述处理器执行时使所述水下布里渊散射光谱获取装置执行权利要求1-6中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-6中任一项所述方法的步骤。
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