CN113008862A - 一种水下拉曼探头及水下探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水下拉曼探头及水下探测系统，该水下拉曼探头包括沿激光出射方向依次设置的拉曼探针、反射镜、分光棱镜、显微物镜和窗片；以及自分光棱镜沿成像回路依次设置的管透镜和显微成像相机；分光棱镜用于将拉曼光路和成像光路耦合，形成共轴光路结构；成像光路与光谱采集光路共用显微物镜分别作为成像物镜和光聚焦镜。该探测系统包括水下拉曼探头、定位机构和控制机构。本发明将拉曼光谱与显微成像相结合构成水下拉曼探头，并利用定位机构驱动水下拉曼探头在较大范围内进行高精度移动，以应对水下地形的起伏，提高成像的清晰度和探测的准确性。

Description

一种水下拉曼探头及水下探测系统

技术领域

本发明涉及水下探测技术领域，特别是涉及一种基于显微图像辅助的水下拉曼探头及水下探测系统。

背景技术

海洋环境是复杂和动态的，多生物、化学和物理过程是相互耦合、相互影响的，在实验室进行这些研究是困难的，因为无法完全模拟出这种复杂的自然系统。而在自然条件下开展原位研究也面临着一系列的挑战，复杂多变的外部环境对于观测设备的稳定性和鲁棒性提出了严苛的要求，同时为了避免外部干扰因素对于探测结果的影响，研究结论的得出往往需要多种不同传感器数据进行相互佐证。在过去的几十年中研究人员针对不同的水下探测目标开发了各种水下探测设备，但这些设备通常只针对目标物进行单一参数的探测，无法对目标物特征进行完整的描述。激光拉曼光谱在许多方面都非常适合水下原位探测，它具有分子探测能力，受海水影响小等优点，最重要的是其无损探测的特征可以使其对探测目标的影响最小化。迄今为止，海洋研究者已经建立了多种海洋拉曼系统，并用于进行各种原位测量。现有的水下拉曼系统主要是面向水下目标的成分探测，其探测结果只能反映目标物的成分信息，无法描述目标物的形貌特征，且由于拉曼散射较弱，在复杂的混合物探测中会丢失大量的有用信息。因此本领域亟需一种能够更清晰和准确探测水下物体的技术方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下拉曼探头及水下探测系统，将拉曼光谱与显微成像相结合构成水下拉曼探头，并利用定位机构驱动水下拉曼探头在较大范围内进行高精度移动，以应对水下环境复杂和水下地形的起伏，提高成像的清晰度和探测的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了一种水下拉曼探头，包括沿激光出射方向依次设置的拉曼探针、反射镜、分光棱镜、显微物镜和窗片；以及自所述分光棱镜沿成像回路依次设置的管透镜和显微成像相机；

所述拉曼探针接收激光并并整形为准直激光，所述准直激光经所述反射镜反射至所述分光棱镜进行分光，一部分所述准直激光经所述显微物镜和所述窗片传输至目标物，构成拉曼光路；目标物产生的返回拉曼信号依次经所述窗片、所述显微物镜和所述分光棱镜后，一部分所述返回拉曼信号经所述反射镜传输至所述拉曼探针，由所述拉曼探针收集所述返回拉曼信号，并回传至光谱仪进行探测，构成光谱采集光路；

所述显微成像相机、所述管透镜和所述显微物镜构成成像光路，所述管透镜与所述显微物镜配合，将目标物成像在所述显微成像相机上；

所述分光棱镜用于将所述拉曼光路和所述成像光路耦合，形成共轴光路结构；所述成像光路与所述光谱采集光路共用所述显微物镜分别作为成像物镜和光聚焦镜。

可选的，在所述分光棱镜与所述管透镜之间还包括陷波滤光片，所述陷波滤光片用于滤除激光的瑞利散射光。

可选的，还包括探头舱体，所述拉曼探针、反射镜、分光棱镜、显微物镜、窗片、管透镜和显微成像相机均设于所述探头舱体内，所述探头舱体设有线缆口和透光口，所述线缆口内穿设有光电复合缆，所述光电复合缆中包括与所述拉曼探针连接的光纤和与所述显微成像相机连接的成像传输线；所述透光口设置所述窗片。

可选的，还包括照明光源，所述照明光源设于所述窗片与目标物之间，所述照明光源用于将光源光束汇聚点与像平面重合来提供照明。

可选的，所述照明光源包括灯座，所述灯座内设有呈角度的固定孔位，所述固定孔位内设置有LED灯珠，所有所述LED灯珠构成环形光源，所述灯座内填充有绝缘灌封胶；所述角度用于将所述环形光源的中心光束汇聚在所述显微物镜的聚焦点上，使光源光束汇聚点与像平面重合。

本发明还提供了一种水下探测系统，包括如上所述的水下拉曼探头、定位机构和控制机构；

所述定位机构与所述水下拉曼探头机械连接，与所述控制机构信号连接；所述控制机构为所述定位机构提供定位控制信号和驱动电源，所述定位机构根据所述定位控制信号驱动所述水下拉曼探头移动；

所述水下拉曼探头与所述控制机构信号连接，所述控制机构控制所述水下拉曼探头进行目标物的显微图像采集和光谱信号的激发与回收，并接收所述显微图像和光谱信号，并进行处理，或传输至上级处理终端进行处理。

可选的，所述定位机构包括定位舱体，设于所述定位舱体内的移动驱动装置，与所述移动驱动装置连接的移动推杆，以及连接于所述移动推杆与所述水下拉曼探头之间的驱动连杆；所述移动驱动装置带动所述移动推杆在所述定位舱体内外运动，所述移动推杆带动驱动连杆运动，所述驱动连杆带动所述水下拉曼探头运动。

可选的，所述移动驱动装置包括伺服电机、与伺服电机输出轴连接的丝杆，与所述丝杆螺纹连接的滑台，所述滑台与所述移动推杆固定连接；

所述移动驱动装置还包括与所述丝杆平行设置的滑轨，所述滑台与所述滑轨配合滑动连接。

可选的，所述控制机构包括与所述水下拉曼探头连接的激光器、光谱仪和CCD探测器，与所述定位机构连接的电机驱动器，以及与所述激光器、光谱仪、CCD探测器和电机驱动器连接的工控机；

所述激光器发出的激光传输至所述水下拉曼探头中的拉曼探针，进行拉曼信号的激发；所述拉曼探针收集到的拉曼光谱信号导入所述光谱仪进行探测；所述CCD探测器用于将所述光谱仪内部的光谱信号转换为电信号并传输至所述工控机，所述光谱仪和所述CCD探测器构成光谱探测组件，用于将所述水下拉曼探头探测到的拉曼光谱信号进行分光探测；

所述电机驱动器与所述定位机构中的伺服电机连接，所述电机驱动器用于控制所述伺服电机转动角度以实现所述水下拉曼探头的移动；

所述工控机用于控制整个所述水下探测系统中各个部件的工作；或者所述工控机与上级处理终端连接时，将所述拉曼光谱信号和所述目标物成像上传至所述上级处理终端进行数据处理与结果显示。

可选的，所述控制机构还包括照明光源控制器，与所述水下拉曼探头中的照明光源连接，用于控制所述照明光源的亮度调节。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的水下拉曼探头及水下探测系统，通过设置拉曼探针、显微成像相机和显微物镜，并使拉曼光路和成像光路耦合，形成共轴光路结构来实现拉曼光谱和目标物成像的精准探测；并结合定位机构的精确位置驱动，解决了水下拉曼探头在探测时面临的水下环境复杂、水下地形起伏带来的偏差，提高了水下目标物探测的准确性。

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为本发明提供的水下探测系统的结构图；

图2为本发明提供的水下拉曼探头的结构图；

图3为本发明提供的照明光源的结构图；

图4为本发明提供的定位机构的结构图；

图5为本发明提供的控制机构的结构图；

图6为本发明提供的水下探测系统的控制逻辑图；

图7为本发明提供的水下探测系统的通信连接图；

图8为本发明提供的水下探测系统处于通信转发模式的通信连接图；

图9为本发明提供的水下探测系统处于本地处理模式的通信连接图；

图10为本发明提供的水下探测系统的工作流程图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

虽然显微成像拉曼光谱技术在实验室中已经得到了广泛的应用，但是在水下环境中同时获取微尺度图像信息和拉曼光谱信息在技术层面上仍面临着一系列的问题。为了获得良好的成像分辨率和拉曼信号收集效果，显微物镜需要高数值孔径，但这导致了整个系统景深较浅，需要精准的聚焦手段。此外水下环境复杂，为了适应水下地形的起伏，成像系统需要一个能够在较大范围内进行高精度移动的定位机构。并且为了保证良好的显微成像效果，成像系统需要良好的水下照明条件。

基于此，本发明提供了一种水下拉曼探头及水下探测系统，将拉曼光谱与显微成像相结合构成水下拉曼探头，并利用定位机构驱动水下拉曼探头在较大范围内进行高精度移动，以应对外水下环境复杂和水下地形的起伏，提高成像的清晰度和探测的准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例提供的水下探测系统，包括如上所述的水下拉曼探头2、定位机构3和控制机构1；

所述定位机构3与所述水下拉曼探头2机械连接，与所述控制机构1信号连接；所述控制机构1为所述定位机构3提供定位控制信号和驱动电源，所述定位机构3根据所述定位控制信号驱动所述水下拉曼探头2移动；

所述水下拉曼探头2与所述控制机构1信号连接，所述控制机构1控制所述水下拉曼探头2进行目标物的显微图像采集和光谱信号的激发与回收，并接收所述显微图像和光谱信号，并进行处理，或传输至上级处理终端进行处理。

一种可选的具体实施方式为：控制机构1负责系统整体的通信控制和光谱探测；水下拉曼探头2负责显微图像采集和光谱信号的激发与回收；定位机构3在控制机构1的控制下进行竖直方向的高精度运动，并通过驱动连杆9带动水下拉曼探头2进行同步位移运动；当然，本实施例中仅仅介绍但不限于竖直方向的运动；还可能水平方向或是有角度或曲线运动等。

在本实施例中还设置了结构框架5为其他部件提供安装位置和支撑；确定整个系统在水下的稳定工作。

图1中还示出了用以连接控制机构1和定位机构2的电机驱动线缆6，为定位机构2内部伺服电机提供驱动电源和信号控制；7为光电复合线缆，其内部封装有一条cat6标准网线，一根激发光纤和一根回收光纤，其中网线用于连接水下拉曼探头2中的显微成像相机和控制机构1内的工控机进行显微图像的采集，激发光纤用于激光的传输，回收光纤则用于将拉曼信号的传输。10为系统供电与通信线缆，用以连接外部电源和通信系统。

为了水下显微成像过程中的照明均匀，在水下拉曼探头2底部可以安装照明光源4，照明光源4通过照明供电线8与控制机构1连接，实现照明光源4的供电；

作为另一种可单独实施的实施例，如图2所示，水下拉曼探头2包括沿激光出射方向依次设置的拉曼探针2.1、反射镜2.2、分光棱镜2.5、显微物镜2.3和窗片2.4；以及自所述分光棱镜2.5沿成像回路依次设置的管透镜2.7和显微成像相机2.8；

所述拉曼探针2.1接收激光并整形为准直激光，所述准直激光经所述反射镜2.2反射至所述分光棱镜2.5进行分光，一部分所述准直激光经所述显微物镜2.3和所述窗片2.4传输至目标物，构成拉曼光路；目标物产生的返回拉曼信号依次经所述窗片2.4、所述显微物镜2.3和所述分光棱镜2.5后，一部分所述返回拉曼信号经所述反射镜2.2传输至所述拉曼探针2.1，由所述拉曼探针2.1收集所述返回拉曼信号，并回传至光谱仪进行探测，构成光谱采集光路；

所述显微成像相机2.8、所述管透镜2.7和所述显微物镜2.3构成成像光路，所述管透镜2.7与所述显微物镜2.3配合，将目标物成像在所述显微成像相机2.8上；

所述分光棱镜2.5用于将所述拉曼光路和所述成像光路耦合，形成共轴光路结构；所述成像光路与所述光谱采集光路共用所述显微物镜2.3分别作为成像物镜和光聚焦镜。

为了防止激光损坏显微成像相机2.8的感光芯片；在所述分光棱镜与所述管透镜之间还可以设置陷波滤光片，所述陷波滤光片用于滤除激光的瑞利散射光。当然还可以采用其他防止激光损坏显微成像相机2.8的感光芯片的技术方案。

由于水下拉曼探头2工作于水下环境中，因此，水下拉曼探头2还可以包括探头舱体2.12，拉曼探针2.1、反射镜2.2、分光棱镜2.5、显微物镜2.3、窗片2.4、管透镜2.7和显微成像相机2.8均设于探头舱体2.12内，所述探头舱体2.12设有线缆口和透光口，所述线缆口内穿设有光电复合缆，所述光电复合缆中包括与所述拉曼探针连接的光纤和与所述显微成像相机连接的成像传输线；所述透光口设置所述窗片2.4，窗片2.4为蓝宝石窗片，用以提供成像和光谱探测所需的透光窗口。在具体实施时，可以采用光电复合电缆7的接头法兰2.9设置于线缆口，用以实现光电复合线缆7和探头舱体2.12的密封连接。其中，光电复合线缆7包含激发光纤2.10、回收光纤2.11和网线，前文已述，在此不再赘述。

作为另一种可选的实施方式，如图3所示，该水下拉曼探头2还可以包括照明光源4，所述照明光源4设于所述窗片2.4与目标物之间，所述照明光源4用于将光源光束汇聚点与像平面重合来提供照明。

具体的，所述照明光源4可以包括灯座4.1，所述灯座4.1内设有呈角度的固定孔位，所述固定孔位内设置有LED灯珠4.3，所有所述LED灯珠构成环形光源，所述灯座内填充有绝缘灌封胶4.2；所述角度用于将所述环形光源的中心光束汇聚在所述显微物镜的聚焦点上，使光源光束汇聚点与像平面重合。

为了避免共轴照明系统镜间反射在光路内部引起的杂散光干扰，我们采用外置照明方式，将高功率LED灯珠组成环形灯带封装在一个由3D打印的塑料灯座4.1内，并在灯座4.1内部采用水密胶填充保证绝缘和耐压。灯座内部LED呈60度倾角对称排列，通过固定螺钉调节照明光源4的位置使得光束汇聚点与像平面重合从而为成像区域提供更好的照明条件。该过程中海水介质可以为水下照明系统提供良好的散热。此外这种模块化的照明方式提供了对水下固体目标进行暗场成像的可能性，通过更换具有不同倾角的照明光源4可以实现明场和暗场两种不同的照明方式的快速切换。

其中灯座4.1为3D打印塑料外壳，在外壳的内表面以特定角度分布着一系列的固定孔位，用于固定LED灯珠。这些固定孔位的角度取决于LED照明光源4的孔径和显微物镜2.3的工作距离，该设计的最终目标是使得环形光源的中心光束汇聚在显微物镜聚焦点上，为显微成像提供均匀明亮的成像条件。照明光源4内部填充用的绝缘灌封胶4.2，其主要作用是对照明光源4内部LED焊接点和导线部分进行密封和绝缘保护。LED灯珠4.3的灯珠类型为树脂封装的草帽形发光LED，该类型LED除正负级引脚外，全部封装在绝缘树脂内部，可以直接接触海水，并具有出色的耐压性能，可以用于水下环境照明。照明光源4通过螺纹固定孔4.4固定在探头舱体2.12外部，并对照明光源4位置进行微调使得光束汇聚点与像平面重合从而为成像区域提供更好的照明条件。

在实际应用中，由于上述水下拉曼探头2中高NA值显微物镜的使用导致水下探测系统景深较浅，因此需要精确的对焦。而为了应对复杂的地形环境，系统必须具备在较大范围内进行移动的能力。对于这种大范围的变焦应用场景，本实施例的解决方案是保持成像平面固定并机械的改变目标与成像物镜之间的距离。为了实现这一目标，本实施例提供了一种定位机构的具体结构，如图4所示。

该定位机构3包括定位舱体3.2，设于所述定位舱体3.2内的移动驱动装置，与所述移动驱动装置连接的移动推杆3.7，以及连接于所述移动推杆3.7与所述水下拉曼探头2之间的驱动连杆9；所述移动驱动装置带动所述移动推杆3.7在所述定位舱体3.2内外运动，所述移动推杆3.7带动驱动连杆9运动，所述驱动连杆9带动所述水下拉曼探头2运动。

作为一种可选的实施方式，移动驱动装置包括伺服电机3.3、与伺服电机3.3输出轴连接的丝杆3.4，与所述丝杆3.4螺纹连接的滑台3.5，所述滑台3.5与所述移动推杆3.7固定连接；

所述移动驱动装置还可以包括与所述丝杆3.4平行设置的滑轨3.6，所述滑台3.5与所述滑轨3.6配合滑动连接。滑轨3.6负责为滑台3.5提供支撑和导向作用。其中滑台3.5可以为滚珠滑台，还可以是其他滑动方式的滑台，只要实现滑动即可。

其他实施方式可以通过改变丝杆3.4、滑轨3.6和/或移动推杆3.7的长度，使定位机构3可以提供不同的位移行程。

需要说明的是，定位舱体3.2内部采用硅油填充，以达到防水、导热与润滑效果。并且，定位舱体3.2外部还设有与定位舱体3.2内部连通的压力补偿器3.1，该压力补偿器3.1为柔性充油橡胶囊，通过法兰接口与定位舱体3.2连通，用以平衡定位舱体3.2的内外压力。

本水下探测系统采用伺服电机3.3驱动丝杆3.4旋转，然后丝杆3.4驱动滚珠滑台3.5运动的方式实现了微米精度下的大行程位移。滚珠滑台3.5和移动推杆3.7连接在一起，并通过驱动连杆9带动水下拉曼探头2进行上下移动。伺服电机3.3，丝杆3.4以及滚珠滑台3.5通过油浸方式封装在定位舱体3.2内，实现定位系统的绝缘，导热和润滑。定位舱体3.2外部的驱动连杆9采用刚性结构与水下拉曼探头2的探头舱体2.12进行连接，并带动水下拉曼探头2在水下进行高精度的运动。

如图5所示，本实施例中的控制机构1包括与所述水下拉曼探头2连接的激光器1.2、光谱仪1.1和CCD探测器1.3，与所述定位机构3连接的电机驱动器1.5，以及与所述激光器1.2、光谱仪1.1、CCD探测器1.3和电机驱动器1.5连接的工控机1.6；

所述激光器1.2发出的激光传输至所述水下拉曼探头2中的拉曼探针2.1，进行拉曼信号的激发；所述拉曼探针2.1收集到的拉曼光谱信号导入所述光谱仪1.1进行探测；所述CCD探测器1.3用于将所述光谱仪1.1内部的光谱信号转换为电信号并传输至所述工控机1.6，所述光谱仪1.1和所述CCD探测器1.3构成光谱探测组件，用于将所述水下拉曼探头2探测到的拉曼光谱信号进行分光探测；

所述电机驱动器1.5与所述定位机构3中的伺服电机3.3连接，所述电机驱动器1.5用于控制所述伺服电机3.3转动角度以实现所述水下拉曼探头2的移动；

所述工控机1.6用于控制整个所述水下探测系统中各个部件的工作；或者所述工控机1.6与上级处理终端连接时，将所述拉曼光谱信号和所述目标物成像上传至所述上级处理终端进行数据处理与结果显示。工控机1.6为系统整体的控制与通信中心，用以解析上级处理终端(包括甲板端上位机，简称甲板机)指令来控制水下探测系统中各组件设备工作，同时该工控机1.6还可以将采集到的数据实时上传至甲板机进行显示。

所述控制机构1还包括照明光源控制器1.4，与所述水下拉曼探头2中的照明光源4连接，用于控制所述照明光源4的亮度调节。以保证在任何条件下显微视场内的目标物都具有良好的均匀照明。

系统内部组件之间包含了供电连接和通信连接两部分，如图6所示，在控制机构1内部采用了一块宽电压输入的电源转换模块1.7，该模块可以将外部电源电压转换成5V，12V，24V三种不同的电压标准，以供应系统内部设备使用。电源转换模块1.7的5V电压输出端口连接了工控机1.6和激光器1.2。电源转换模块1.7(图6中的DC-DC)的12V电压端口与CCD探测器1.3连接。电源转换模块1.7的24V端口则同时与电机驱动器1.5，显微物镜成像相机2.8和照明光源控制器1.4连接。控制与通信方面，所有的设备都是通过各自的设备接口直接连接在工控机1.6的相应端口上。其中照明光源控制器1.4和电机驱动器1.5使用RS232串口通信，因此其作为串口设备分别连接在工控机的两个串口上；显微物镜成像相机2.8则通过千兆网络接口与工控机1.6进行连接。CCD探测器1.3和激光器1.2采用了USB接口，因此其分别连接在工控机1.6的USB1和USB2两个接口上。系统内部设备采用的通信接口均为双向通信接口，在图6中以双向箭头表示。电机驱动器1.5和伺服电机3.3之间同时包含了通信与供电两部分。照明光源4的亮度调节主要是通过脉宽调制(PWM)实现，并通过显微成像图片的亮度信息作为亮度调节参考，因此照明光源控制器1.4和照明光源之间只有单向的供电连接。

在本实施例中，工控机1.6与甲板机通过以太网连接，如图7所示。为了适应不同的应用场景，该水下探测系统具有两种不同的工作模式：通信转发模式和本地处理模式，分别如图8和9所示。

在通信转发模式下，工控机1.6与甲板机共同构成透传网络，工控机1.6只负责数据交换，即将挂载在工控机1.6端口上的所有设备的通信数据统一打包成以太网数据包，并通过以太网上传到甲板机进行解包处理和通信响应。同样甲板机的控制指令和响应信息也可通过数据打包机制传输到工控机1.6，并在工控机1.6内部完成解包处理后，通过相应的端口反馈到各个设备。该通信方式下，系统数据处理和图谱绘制任务均由甲板机完成。

而本地处理模式则是以工控机1.6为控制和处理中心。由工控机1.6直接控制挂载在其端口上的设备，并在本地对设备采集到的数据进行处理。甲板机只负责将数据采集参数传输给工控机1.6，并将工控机1.6处理好的结果在终端进行显示。

在通信转发模式下，数据处理由甲板机负责，因此可以更好地利用甲板机的性能优势，进行数据与图像的实时处理。然而通信转发模式容易受到通信带宽的影响，可能会导致带宽过大，网络时延敏感等问题。在本地模式下，数据处理主要依赖于工控机，受限于体积和功耗，水下系统内的嵌入式工控机采用了低功耗处理器，其性能较弱，在复杂的图像处理任务下容易出现卡顿和数据丢帧现象。但是其适应性强，在网络阻塞的情况下，能够实现不间断的连续采样。该系统提供的两种控制模式可以自由切换。

下面介绍本水下探测系统的工作流程，如图10所示。系统上电后，相关设备启动并进行初始化。工控机开始接收来自甲板机的图像采集指令和工作模式信息。工控机按照指令切换至相应的工作模式。工控机设定LED灯亮度，并触发显微成像相机采集图像。工控机检测图像明亮度和清晰度指标。工控机根据图像亮度和清晰度指标调整LED亮度并设定定位舱移动距离，直至获得亮度适中的清晰的显微图像。然后工控机将显微图像上传至甲板机显示。工控机关闭LED灯，打开激光器和光谱仪进行拉曼光谱采集。工控机将光谱数据上传至甲板机进行显示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种水下拉曼探头，其特征在于，包括沿激光出射方向依次设置的拉曼探针、反射镜、分光棱镜、显微物镜和窗片；以及自所述分光棱镜沿成像回路依次设置的管透镜和显微成像相机；

所述拉曼探针接收激光并整形为准直激光，所述准直激光经所述反射镜反射至所述分光棱镜进行分光，一部分所述准直激光经所述显微物镜和所述窗片传输至目标物，构成拉曼激发光路；目标物产生的返回拉曼信号依次经所述窗片、所述显微物镜和所述分光棱镜后，一部分所述返回拉曼信号经所述反射镜传输至所述拉曼探针，由所述拉曼探针收集所述返回拉曼信号，并回传至光谱仪进行探测，构成光谱采集光路；

所述显微成像相机、所述管透镜和所述显微物镜构成成像光路，所述管透镜与所述显微物镜配合，将目标物成像在所述显微成像相机上；

所述分光棱镜用于将所述拉曼光路和所述成像光路耦合，形成共轴光路结构；所述成像光路与所述光谱采集光路共用所述显微物镜分别作为成像物镜和光聚焦镜。

2.根据权利要求1所述的水下拉曼探头，其特征在于，在所述分光棱镜与所述管透镜之间还包括陷波滤光片，所述陷波滤光片用于滤除激光的瑞利散射光。

3.根据权利要求1所述的水下拉曼探头，其特征在于，还包括探头舱体，所述拉曼探针、反射镜、分光棱镜、显微物镜、窗片、管透镜和显微成像相机均设于所述探头舱体内，所述探头舱体设有线缆口和透光口，所述线缆口内穿设有光电复合缆，所述光电复合缆中包括与所述拉曼探针连接的光纤和与所述显微成像相机连接的成像传输线；所述透光口设置所述窗片。

4.根据权利要求1或3所述的水下拉曼探头，其特征在于，还包括照明光源，所述照明光源设于所述窗片与目标物之间，所述照明光源用于将光源光束汇聚点与像平面重合来提供照明。

5.根据权利要求1所述的水下拉曼探头，其特征在于，所述照明光源包括灯座，所述灯座内设有呈角度的固定孔位，所述固定孔位内设置有LED灯珠，所有所述LED灯珠构成环形光源，所述灯座内填充有绝缘灌封胶；所述角度用于将所述环形光源的中心光束汇聚在所述显微物镜的聚焦点上，使光源光束汇聚点与像平面重合。

6.一种水下探测系统，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的水下拉曼探头、定位机构和控制机构；

所述定位机构与所述水下拉曼探头机械连接，与所述控制机构信号连接；所述控制机构为所述定位机构提供定位控制信号和驱动电源，所述定位机构根据所述定位控制信号驱动所述水下拉曼探头移动；

所述水下拉曼探头与所述控制机构信号连接，所述控制机构控制所述水下拉曼探头进行目标物的显微图像采集和光谱信号的激发与回收，并接收所述显微图像和光谱信号，并进行处理，或传输至上级处理终端进行处理。

7.根据权利要求6所述的水下探测系统，其特征在于，所述定位机构包括定位舱体，设于所述定位舱体内的移动驱动装置，与所述移动驱动装置连接的移动推杆，以及连接于所述移动推杆与所述水下拉曼探头之间的驱动连杆；所述移动驱动装置带动所述移动推杆在所述定位舱体内外运动，所述移动推杆带动驱动连杆运动，所述驱动连杆带动所述水下拉曼探头运动。

8.根据权利要求7所述的水下探测系统，其特征在于，所述移动驱动装置包括伺服电机、与伺服电机输出轴连接的丝杆，与所述丝杆螺纹连接的滑台，所述滑台与所述移动推杆固定连接；

所述移动驱动装置还包括与所述丝杆平行设置的滑轨，所述滑台与所述滑轨配合滑动连接。

9.根据权利要求6所述的水下探测系统，其特征在于，所述控制机构包括与所述水下拉曼探头连接的激光器、光谱仪和CCD探测器，与所述定位机构连接的电机驱动器，以及与所述激光器、光谱仪、CCD探测器和电机驱动器连接的工控机；

所述激光器发出的激光传输至所述水下拉曼探头中的拉曼探针，进行拉曼信号的激发；所述拉曼探针收集到的拉曼光谱信号导入所述光谱仪进行探测；所述CCD探测器用于将所述光谱仪内部的光谱信号转换为电信号并传输至所述工控机，所述光谱仪和所述CCD探测器构成光谱探测组件，用于将所述水下拉曼探头探测到的拉曼光谱信号进行分光探测；

所述电机驱动器与所述定位机构中的伺服电机连接，所述电机驱动器用于控制所述伺服电机转动角度以实现所述水下拉曼探头的移动；

所述工控机用于控制整个所述水下探测系统中各个部件的工作；或者所述工控机与上级处理终端连接时，将所述拉曼光谱信号和所述目标物成像上传至所述上级处理终端进行数据处理与结果显示。

10.根据权利要求9所述的水下探测系统，其特征在于，所述控制机构还包括照明光源控制器，与所述水下拉曼探头中的照明光源连接，用于控制所述照明光源的亮度调节。

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