CN113155781A - 一种非接触式检测系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种非接触式检测系统，至少包括数据采集器件、光电传感器件、摄像机和补光光源，摄像机包括消光器件、光栅器件和感光元件。补光光源向水域发射补光光线，补光光线被待检测物质散射后产生散射光线，补光光线被水面反射后产生反射光线。消光器件过滤反射光线，将散射光线透传给光栅器件，光栅器件将散射光线分光到感光元件，感光元件基于分光后的光线生成目标图像。光电传感器件基于散射光线和反射光线确定光信号强度；若光信号强度大于信号强度阈值，向数据采集器件输出控制信号；数据采集器件在接收到控制信号时，禁止从感光元件获取目标图像。通过本申请的技术方案，可以在环境亮度小于亮度阈值时，对水域中的待检测物质进行检测。

Description

一种非接触式检测系统

技术领域

本申请涉及水环境检测技术领域，尤其是涉及一种非接触式检测系统。

背景技术

水环境检测是以水域为对象，运用各种技术手段(如物理类、化学类、生物类等)对水域中的待检测物质的组成成分进行分析，从而探索研究水环境质量的变化规律，为水环境管理提供可靠的基础数据。上述方式需要人工采集水域中具有待检测物质的水体，才能对待检测物质的组成成分进行分析。

随着图像处理技术的发展，可以采集针对水域中待检测物质的图像，通过图像分析待检测物质的组成成分。显然，通过图像分析待检测物质的组成成分时，不需要人工采集水域中具有待检测物质的水体，从而得到广泛应用。

在环境亮度比较大时，如白天，太阳光可以入射到水域，水域中的待检测物质对太阳光进行散射后产生散射光线，摄像机可以采集到散射光线，继而生成针对待检测物质的图像。但是，在环境亮度比较小时，如夜间，不会有太阳光入射到水域，即水域中的待检测物质无法产生散射光线，导致摄像机无法生成针对待检测物质的图像，也就无法分析待检测物质的组成成分。

发明内容

本申请提供一种非接触式检测系统，所述非接触式检测系统用于在环境亮度小于亮度阈值时，对水域中的待检测物质进行检测；

所述非接触式检测系统至少包括数据采集器件、光电传感器件、摄像机和补光光源，所述摄像机至少包括消光器件、光栅器件和感光元件；

所述补光光源，用于向水域发射补光光线，所述补光光线被水域中的待检测物质散射后产生散射光线，所述补光光线被水面反射后产生反射光线；

所述消光器件，用于过滤接收到的反射光线，并将接收到的散射光线透传给所述光栅器件，由所述光栅器件将所述散射光线分光到所述感光元件，由所述感光元件基于分光后的光线生成针对所述待检测物质的目标图像；

所述光电传感器件，用于基于接收到的散射光线和反射光线确定光信号强度；若所述光信号强度大于信号强度阈值，则向数据采集器件输出控制信号；

所述数据采集器件，用于若接收到控制信号，则禁止从所述感光元件获取目标图像；若未接收到控制信号，则从所述感光元件获取目标图像；

其中，所述目标图像用于对所述待检测物质进行检测。

示例性的，所述补光光源具体为氙灯光源，所述非接触式检测系统还包括第一变焦透镜；所述氙灯光源，用于向所述第一变焦透镜发射补光光线，由所述第一变焦透镜对所述补光光线进行处理，并向水域发射处理后的补光光线。

在一种可能的实施方式中，所述氙灯光源与所述消光器件的水平距离基于如下参数确定：所述氙灯光源与水面的垂直距离，所述摄像机的视场角，所述氙灯光源与所述第一变焦透镜的垂直距离。

示例性的，所述氙灯光源发射的补光光线的入射光照度基于如下参数确定：所述待检测物质所在的待测区域与所述氙灯光源的补光中心的夹角，所述氙灯光源与所述消光器件的水平距离，所述氙灯光源与水面的垂直距离，最低入射光照度；所述待测区域与所述氙灯光源的补光中心的夹角基于如下参数确定：所述氙灯光源与所述消光器件的水平距离，所述氙灯光源与水面的垂直距离。

示例性的，所述补光光源为穹顶光源，所述穹顶光源内部包括不同波长的多个发光二极管；所述非接触式检测系统还包括分路控制器件，分路控制器件与每个发光二极管连接，所述分路控制器件，用于对发光二极管输出控制信号；所述发光二极管，用于在接收到所述控制信号时，向所述穹顶光源的穹顶内壁发射补光光线，由所述穹顶内壁对所述补光光线进行反射后射向水域。

示例性的，所述穹顶光源与所述消光器件的水平距离基于如下参数确定：

所述穹顶光源与水面的垂直距离以及所述摄像机的视场角。

示例性的，所述穹顶光源上方出光口的直径和所述穹顶光源下方出光口的直径，基于如下参数确定：所述消光器件的长轴长度、所述消光器件的短轴长度、所述穹顶光源与所述消光器件的垂直高度、及所述穹顶光源的垂直高度；其中，所述穹顶光源上方出光口发出的光线射向所述消光器件；

所述穹顶光源下方出光口发出的光线射向所述水域。

示例性的，所述非接触式检测系统还包括第二变焦透镜，散射光线经过所述第二变焦透镜到达所述消光器件，反射光线经过所述第二变焦透镜到达所述消光器件；摄像机的视场角基于如下参数确定：所述消光器件的长轴长度，所述消光器件的短轴长度，所述第二变焦透镜与所述消光器件的垂直距离。

示例性的，非接触式检测系统还包括激光雷达；所述激光雷达用于检测所述氙灯光源与水面的垂直距离，或者，检测所述穹顶光源与水面的垂直距离。

在一种可能的实施方式中，所述非接触式检测系统还可以包括第三变焦透镜，所述散射光线经过所述第三变焦透镜到达所述光电传感器件，所述反射光线经过所述第三变焦透镜到达所述光电传感器件。

由以上技术方案可见，本申请实施例中提出一种非接触式检测系统，可以在环境亮度小于亮度阈值(如夜间、阴天、多云等)时，对水域中的待检测物质进行检测，即分析待检测物质的组成成分，从而得到夜间的水环境数据，在夜间实现水环境检测，有效拓展水质检测的有效范围，实现夜间水体非接触式的实时检测，在水体保护中具有重要意义，能够发现工厂偷排污和微生物繁殖等情况。在采集针对待检测物质的目标图像时，考虑到水域中的待检测物质散射后产生散射光线，而水面反射后产生反射光线，反射光线的存在会对散射光线造成干扰，导致目标图像的可靠性降低，因此，可以在非接触式检测系统部署消光器件，由消光器件过滤反射光线，并透传散射光线，从而基于散射光线生成针对待检测物质的目标图像，避免反射光线对散射光线的干扰，提高目标图像的可靠性，基于目标图像分析待检测物质的组成成分时，准确性大大提高。

附图说明

为了更加清楚地说明本申请实施例或者现有技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或者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申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据本申请实施例的这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一种实施方式中的非接触式检测系统的结构示意图；

图2是本申请一种实施方式中的非接触式检测系统的结构示意图；

图3是本申请一种实施方式中的非接触式检测系统的结构示意图；

图4是本申请一种实施方式中的非接触式检测系统的结构示意图；

图5是本申请一种实施方式中的非接触式检测系统的设计流程图；

图6是本申请一种实施方式中的非接触式检测系统的结构示意图；

图7是本申请一种实施方式中的非接触式检测系统的结构示意图；

图8是本申请一种实施方式中的非接触式检测系统的设计方法流程图。

具体实施方式

在本申请实施例使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，而非限制本申请。本申请和权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其它含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请实施例可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，此外，所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

为了实现水环境检测(即针对水环境中的水质检测)，可以采用接触式检测或者非接触式检测，接触式检测是指：人工采集水域中具有待检测物质的水体，并对待检测物质的组成成分(即组分)进行分析。非接触式检测是指：采集针对水域中待检测物质的图像，并通过该图像分析待检测物质的组成成分。

为了实现非接触式检测，可以在目标场景(即需要进行水环境检测的水域)部署至少一个摄像机，并由摄像机采集针对水域中待检测物质的图像。

在环境亮度比较大时，如白天，太阳光可以入射到水域，水域中的待检测物质对太阳光进行散射后产生散射光线，摄像机可以采集到散射光线，并生成针对待检测物质的图像。由于不同组成成分的待检测物质对不同波长的光产生不同的散射光线，且不同波长的光产生的散射光线对应的图像存在区别，即图像能够反映不同波长的光，因此，可以通过图像分析水域中的待检测物质的组成成分，实现对组成成分的非接触式检测，对此检测过程不做限制。

在环境亮度比较小时，如夜间、阴天、雨天、雪天、多云等，不会有太阳光入射到水域，即水域中的待检测物质无法产生散射光线，导致摄像机无法生成针对待检测物质的图像，也就无法分析待检测物质的组成成分。

针对上述发现，本申请实施例中提出一种非接触式检测系统，可以在环境亮度小于亮度阈值(以外界环境是夜间为例)时，对水域中的待检测物质进行检测，即，分析待检测物质的组成成分，从而能够在夜间实现水环境检测，实现夜间环境的非接触式检测，能够有效拓展水质检测的有效范围。

以下结合具体实施例，对本申请实施例的非接触式检测系统进行说明。

本申请实施例中提出一种非接触式检测系统，该非接触式检测系统用于在环境亮度小于亮度阈值(可以根据经验配置，用于表示环境亮度较小)时，对水域中的待检测物质进行检测。在外界环境是夜间、阴天、雨天、雪天、多云等时，环境亮度可能小于亮度阈值，即没有太阳光入射到水域或者入射到水域的太阳光很弱，为了方便描述，后续实施例中，以外界环境是夜间为例。

参见图1所示，非接触式检测系统至少包括数据采集器件11、光电传感器件12、补光光源13和摄像机，且摄像机至少包括消光器件14、光栅器件15和感光元件16。该摄像机可以是高光谱相机，也可以是其它类型的相机，对此不做限制，只要摄像机包括消光器件14、光栅器件15和感光元件16即可。

补光光源13，用于向水域发射补光光线，该补光光线被水域中的待检测物质散射后产生散射光线，该补光光线被水面反射后产生反射光线。

比如说，在环境亮度小于亮度阈值时，补光光源13可以向水域发射补光光线，在该补光光线照射到水域中的待检测物质时，该待检测物质会对该补光光线进行散射，将对该补光光线进行散射后的光线称为散射光线(也可以称为后向散射光线)，该散射光线能够照射到光电传感器件12和消光器件14。

需要注意的是，基于光线的传播原理，由于待检测物质是不均匀介质，因此，在补光光线照射到水域中的待检测物质时，该待检测物质会对该补光光线进行散射，即产生散射光线，散射是散射光线向四周射去的现象。

比如说，在环境亮度小于亮度阈值时，补光光源13可以向水域发射补光光线，在该补光光线照射到水域的水面时，该水面会对该补光光线进行反射，将对该补光光线进行反射后的光线称为反射光线(也可以称为镜面反射光线)，该反射光线能够照射到光电传感器件12和消光器件14。

需要注意的是，基于光线的传播原理，在补光光线照射到水面时，该水面会对该补光光线进行反射，即产生反射光线，反射光线与入射光线、法线在同一平面上，反射光线和入射光线分居在法线的两侧，反射角等于入射角。

消光器件14，用于过滤接收到的反射光线(不将反射光线透传给光栅器件15)，将接收到的散射光线透传给光栅器件15，光栅器件15将散射光线分光到感光元件16，感光元件16基于分光后的光线生成针对待检测物质的目标图像。

消光器件14可以是消光狭缝，也可以看作是视场光阑(即限制物体成像范围的光阑)，视场实际上是指物面大小或者其对应的共轭像面大小，视场光阑所起到的作用就是限制这两者之一的范围。在本实施例中，通过部署消光器件14，可以达到限制反射光线通过，不限制散射光线通过的目的，因此，消光器件14不将反射光线透传给光栅器件15，将散射光线透传给光栅器件15。

例如，基于散射光线的特性，即散射光线向四周射去，各个方向均有散射光线照射到消光器件14。由于散射光线是从各个方向照射到消光器件14，因此，会有处于物体成像范围(即视场光阑限制的物体成像范围)的散射光线照射到消光器件14，消光器件14将处于物体成像范围的散射光线透传给光栅器件15。

例如，基于反射光线的特性，即反射光线和入射光线分居在法线两侧，反射角等于入射角，只有一个方向有反射光线照射到消光器件14，通过控制入射光线的方向，能够达到控制反射光线的方向的目的。基于此，通过控制入射光线的方向，使得反射光线的方向不处于物体成像范围(即视场光阑限制的物体成像范围)，在不处于物体成像范围的反射光线照射到消光器件14时，消光器件14不会将反射光线透传给光栅器件15，达到对反射光线进行过滤的目的。

光栅器件15，用于接收散射光线，并对该散射光线进行分光，并将分光后的光线发送给感光元件16，也就是说，光栅器件15可以将散射光线分光为不同波长的光线(即光谱)，并将不同波长的光线发送给感光元件16。

比如说，光栅器件15可以为衍射光栅(或闪耀光栅)，衍射光栅是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件，因此，光栅器件15在接收到散射光线后，可以利用多缝衍射原理将散射光线分解为不同波长的光谱，并将不同波长的光谱发送给感光元件16，从而将光谱信息照射到感光元件16。

感光元件16，用于接收分光后的光线，基于分光后的光线生成针对待检测物质的目标图像。显然，由于分光后的光线是不同波长的光线，因此，可以针对不同波长的光线生成目标图像，且不同波长的光线能够反映待检测物质的组成成分，因此，通过目标图像就可以分析水域中的待检测物质的组成成分，实现对组成成分的非接触式检测，即通过目标图像实现对待检测物质的检测。

比如说，感光元件16可以为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)，CCD是一种图像传感器，能够将光学信号转化为数字信号，因此，感光元件16在接收到分光后的光线后，就可以基于分光后的光线生成目标图像。

显然，感光元件16只接收到散射光线分光后的光线，而没有接收到反射光线，因此，在生成目标图像时，可以避免反射光线对散射光线的干扰。

光电传感器件12，用于基于接收到的散射光线和反射光线确定光信号强度。若该光信号强度大于信号强度阈值，则向数据采集器件11输出控制信号。若该光信号强度不大于该信号强度阈值，则不向数据采集器件11输出控制信号。

数据采集器件11，用于若接收到该控制信号，则禁止从感光元件16获取目标图像，即感光元件16生成的目标图像无效。若未接收到该控制信号，则可以从感光元件16获取目标图像，并基于该目标图像对待检测物质进行检测。

在实际应用中，水面经常会发生波浪，当水面发生波浪时，基于光线的传播原理，在补光光线照射到水面时，波浪的水面会对补光光线进行散射，即产生散射光线，波浪的水面产生的散射光线照射到消光器件14后，这个散射光线也能够透传给光栅器件15，光栅器件15对散射光线进行分光，并将分光后的光线发送给感光元件16，感光元件16基于分光后的光线生成目标图像。

综上所述，在最终生成的目标图像中，既有待检测物质产生的散射光线对应的图像部分，又有波浪的水面产生的散射光线对应的图像部分，即目标图像存在干扰，是无效的目标图像，无法基于目标图像对待检测物质进行检测。

针对上述发现，本申请实施例中，非接触式检测系统可以包括光电传感器件12，该光电传感器件12可以是光电二极管，待检测物质产生的散射光线、波浪的水面产生的散射光线、水面产生的反射光线均可以到达光电传感器件12。

光电传感器件12在接收到散射光线和反射光线后，可以基于散射光线和反射光线确定光信号强度，若该光信号强度大于信号强度阈值，则表示存在波浪的水面产生的散射光线，且波浪的水面产生的散射光线的强度较大，因此，光电传感器件12可以向数据采集器件11输出控制信号。数据采集器件11在接收到该控制信号后，获知波浪的水面产生的散射光线的强度较大，即，感光元件16生成的目标图像存在干扰，因此，禁止从感光元件16获取目标图像。

比如说，在光信号强度大于信号强度阈值时，可以达到光电传感器件12的导通条件，使得光电传感器件12产生控制信号，并输出给数据采集器件11。

光电传感器件12在接收到散射光线和反射光线后，可以基于散射光线和反射光线确定光信号强度，若该光信号强度不大于信号强度阈值，则表示不存在波浪的水面产生的散射光线，或者，存在波浪的水面产生的散射光线，但是波浪的水面产生的散射光线的强度较弱，因此，光电传感器件12不会向数据采集器件11输出控制信号。数据采集器件11在未接收到控制信号时，获知不存在波浪的水面产生的散射光线，或者，存在波浪的水面产生的散射光线，但是波浪的水面产生的散射光线的强度较弱，即，感光元件16生成的目标图像不存在干扰，因此，数据采集器件11可以从感光元件16获取目标图像。

比如说，在光信号强度不大于信号强度阈值时，没有达到光电传感器件12的导通条件，使得光电传感器件12不会产生控制信号。

在上述实施例中，信号强度阈值可以是经验值，即，根据经验配置信号强度阈值。信号强度阈值也可以是统计值，比如说，统计不存在波浪的水面或者波浪的水面比较弱时，光电传感器件12感知到的光信号强度(即所有散射光线和反射光线的光信号强度)，可以基于这个光信号强度确定信号强度阈值。

当然，上述方式只是示例，对此信号强度阈值的确定方式不做限制。

在上述实施例中，针对每个周期(即感光元件16的曝光周期)来说，该感光元件16可以生成该周期的目标图像，该光电传感器件12在该周期可以产生控制信号或者未产生控制信号，该数据采集器件11在该周期接收到该控制信号时，可以禁止从感光元件16获取该周期的目标图像，数据采集器件11在该周期未接收到控制信号时，可以从感光元件16获取该周期的目标图像。

由以上技术方案可见，可以在环境亮度小于亮度阈值时，对水域中的待检测物质进行检测，即分析待检测物质的组成成分，从而得到夜间的水环境数据，在夜间实现水环境检测，有效拓展水质检测的有效范围，实现夜间水体非接触式的实时检测，在水体保护中具有重要意义，能够发现工厂偷排污和微生物繁殖等情况。在采集针对待检测物质的目标图像时，考虑到水域中的待检测物质散射后产生散射光线，而水面反射后产生反射光线，反射光线的存在会对散射光线造成干扰，导致目标图像的可靠性降低，因此，在非接触式检测系统部署消光器件，由消光器件过滤反射光线，并透传散射光线，从而基于散射光线生成针对待检测物质的目标图像，避免反射光线对散射光线的干扰，提高目标图像的可靠性，基于目标图像分析待检测物质的组成成分时，准确性大大提高。

在一种可能的实施方式中，补光光源可以为氙灯光源(利用高气压或超高气压氙气的放电而发光的电光源)，也可以为穹顶光源(LED发出的光通过拱形碗状的反射形成散射照明光，对弯曲的表面实现均匀照明)，还可以为其它类型的光源，对此补光光源的类型不做限制，只要补光光源能够向水域发射补光光线即可，以下结合氙灯光源和穹顶光源，对非接触式检测系统进行说明。

参见图2所示，为非接触式检测系统的结构示意图，非接触式检测系统至少包括数据采集器件11、光电传感器件12、氙灯光源13(即补光光源采用氙灯光源)和摄像机，且摄像机至少包括消光器件14、光栅器件15和感光元件16。

与图1相比，非接触式检测系统还可以包括第一变焦透镜17，氙灯光源13用于向第一变焦透镜17发射补光光线，由第一变焦透镜17对补光光线进行处理(即对补光光线进行变焦处理)，并向水域发射处理后的补光光线。

非接触式检测系统还可以包括第二变焦透镜(在图2中并未示出第二变焦透镜)，第二变焦透镜位于消光器件14的下侧，且第二变焦透镜可以与第一变焦透镜17平行。散射光线经过第二变焦透镜到达消光器件14，即散射光线到达第二变焦透镜后，第二变焦透镜对散射光线进行处理(如对散射光线进行变焦处理)，向消光器件14发射处理后的散射光线。反射光线经过第二变焦透镜到消光器件14，即反射光线到达第二变焦透镜后，第二变焦透镜对反射光线进行处理(如对反射光线进行变焦处理)，向消光器件14发射处理后的反射光线。

参见图3所示，为非接触式检测系统的另一结构示意图，与图1或图2相比，非接触式检测系统还可以包括第三变焦透镜18，散射光线经过第三变焦透镜18到达光电传感器件17，即散射光线到达第三变焦透镜18后，第三变焦透镜18对散射光线进行处理(如对散射光线进行变焦处理)，向光电传感器件17发射处理后的散射光线。反射光线经过第三变焦透镜18到达光电传感器件17，即反射光线到达第三变焦透镜18后，第三变焦透镜18对反射光线进行处理(如对反射光线进行变焦处理)，向光电传感器件17发射处理后的反射光线。

显然，可以在靠近消光器件14处放置光电传感器件12，通过第三变焦透镜18对光电传感器件12的接受范围进行约束，当光电传感器件12接收到较强信号时，控制数据采集器件11停止采集，避免水面波浪引起的反射信号干扰。

参见图2和图3所示，本申请实施例中提出的非接触式检测系统，利用氙灯光源13代替原有太阳光，对消光器件14的尺寸进行设计，根据消光器件14的尺寸构建氙灯光源13的空间几何，再根据氙灯光源13的空间几何、探测距离和离水辐射的积分时间，设计氙灯光源13的光学几何，最终实现排除水面反射的非接触式检测系统。以及，针对水面可能出现的波浪，基于光电传感器件12设计防过曝的非接触式检测系统，增强非接触式检测系统的适应范围。

参见图2和图3所示，为了保证光线能够覆盖水域中待检测物质的特征谱线，选用氙灯光源13作为补光光源，氙灯光源13发出的光线经过第一变焦透镜17后射向水域中的待检测物质，水域中的待检测物质(如叶绿素等)将补光光线进行散射，光谱中不同波长成分的散射情况不同，散射光线通过消光器件14入射到光栅器件15和感光元件16，由感光元件16生成目标图像，继而基于目标图像对散射光线的光谱成分进行检测，实现待检测物质的检测。

以下结合具体应用场景，对上述非接触式检测系统的结构进行说明。

参见图4所示，为非接触式检测系统的结构示意图，将氙灯光源13与消光器件14的水平距离记为ρ，将消光器件14的长轴长度记为d_M，将消光器件14的短轴长度记为d_m，将消光器件14与第二变焦透镜的垂直距离记为l，将摄像机的视场角记为θ，将氙灯光源13与第一变焦透镜17的垂直距离记为x，将氙灯光源13与水面的垂直距离记为H，将待检测物质所在的待测区域与氙灯光源13的补光中心的夹角记为β，将氙灯光源13发出的补光光线经过第一变焦透镜17后的发散角记为α(x)，即发散角α(x)是一个与垂直距离x相关的函数。

关于长轴长度d_M和短轴长度d_m，是消光器件14本身的属性，与选取的消光器件14有关，在选取消光器件14后，长轴长度d_M和短轴长度d_m就是已知值。

关于垂直距离H，可以由激光雷达检测氙灯光源13与水面的垂直距离H，比如说，在图2或者图3的基础上，非接触式检测系统还可以包括激光雷达，该激光雷达用于检测氙灯光源13与水面的垂直距离H。当然，激光雷达只是一个示例，还可以采用其它方式获取氙灯光源13与水面的垂直距离H，对此不做限制。比如说，氙灯光源13与水面的垂直距离H通常可以大于2米。

关于垂直距离x，第一变焦透镜17是上下可移动的器件，因此，氙灯光源13与第一变焦透镜17的垂直距离x是可变的，即，随着第一变焦透镜17向上移动，垂直距离x减小，随着第一变焦透镜17向下移动，垂直距离x变大。

可以配置垂直距离x的初始值，表示第一变焦透镜17处于默认位置时，氙灯光源13与第一变焦透镜17的垂直距离x。在第一变焦透镜17向上移动指定距离或者第一变焦透镜17向下移动指定距离时，可以基于垂直距离x的初始值和该指定距离，确定氙灯光源13与第一变焦透镜17的垂直距离x的当前值。

关于垂直距离l，第二变焦透镜是上下可移动的器件，因此，消光器件14与第二变焦透镜的垂直距离l是可变的，即，随着第二变焦透镜向上移动，垂直距离l减小，随着第二变焦透镜向下移动，垂直距离l变大。

可以配置垂直距离l的初始值，表示第二变焦透镜处于默认位置时，消光器件14与第二变焦透镜的垂直距离l。在第二变焦透镜向上移动指定距离或者第二变焦透镜向下移动指定距离时，可以基于垂直距离l的初始值和该指定距离，确定消光器件14与第二变焦透镜的垂直距离l的当前值。

关于视场角θ，视场角θ可以基于如下参数确定：消光器件14的长轴长度d_M，消光器件14的短轴长度d_m，消光器件14与第二变焦透镜17的垂直距离l。

比如说，消光器件14可以是消光狭缝，且消光狭缝可以看作视场光阑，摄像机的视场角θ可以由消光器件14的几何尺寸决定，即基于消光器件14的几何尺寸(即长轴长度d_M，短轴长度d_m，垂直距离l)对视场角θ进行控制。

例如，短轴方向的视场角由以下公式决定：θ＝2arctan(d_m/2l)，长轴方向的视场角由以下公式决定：θ＝2arctan(d_M/2l)，为获得较小的视场，l可以设置为第二变焦透镜的焦距。综上所述，可以将短轴方向的视场角确定为摄像机的视场角θ，也可以将长轴方向的视场角确定为摄像机的视场角θ。

参见图2、图3、图4所示，为了保证测量的准确性，及减少水面可能产生的反射现象，可以将氙灯光源13放置于消光器件14的短轴方向一侧，氙灯光源13的水平高度和消光器件14的水平高度可以相同。由于摄像机的结构尺寸和氙灯光源13的结构尺寸均较小，因此，对水平高度的影响可以忽略。

关于发散角α(x)，发散角α(x)是一个与垂直距离x相关的函数，即，输入是垂直距离x，输出是发散角α(x)，二者满足一个函数关系。基于此，在获知垂直距离x后，可以将垂直距离x代入该函数关系，将函数结果作为发散角α(x)。

关于水平距离ρ，水平距离ρ可以基于如下参数确定：氙灯光源13与水面的垂直距离H，摄像机的视场角θ，氙灯光源13与第一变焦透镜17的垂直距离x。

比如说，考虑到实际使用的安装稳定性，可以使摄像机接受光信号的入射方向和氙灯光源13的补光光线的出射方向均垂直于水面，为了保证摄像机不会接收到水面对补光光线的反射信号，这就需要满足公式(1)或者公式(2)。

2H·tan(α(x)/2)＜ρ 公式(1)

2H·tan(θ/2)＜ρ 公式(2)

在公式(1)和公式(2)中，ρ为氙灯光源13与消光器件14中心的水平距离，氙灯光源13和摄像机均水平放置。为了保证能够获得更大的探测信号值，还可以使补光范围覆盖摄像机在水面的拍摄范围，这就需要满足公式(3)。

2H·tan(α(x)/2)＞ρ+2H·tan(θ/2) 公式(3)

考虑到公式(1)和公式(3)存在冲突，无法同时满足公式(1)和公式(3)，因此，可以将公式(2)与公式(3)作为氙灯光源13的补光角度和空间位置。综上所述，可以基于公式(2)和公式(3)确定水平距离ρ，即水平距离ρ基于垂直距离H、视场角θ和发散角α(x)确定，且发散角α(x)基于垂直距离x确定。

在一种可能的实施方式中，为了检测水域中待检测物质的散射情况，需要保证氙灯光源13发射的补光光线的入射光照度E，即在该入射光照度E的前提下，检测水域中待检测物质的散射情况，也就是说，基于待检测物质发射的散射光线生成目标图像，并基于该目标图像对待检测物质进行检测。

关于氙灯光源13发射的补光光线的入射光照度E，可以基于如下参数确定：待检测物质所在的待测区域与氙灯光源13的补光中心的夹角β，氙灯光源13与消光器件14的水平距离ρ，氙灯光源13与水面的垂直距离H，最低入射光照度E_m。在上述参数的基础上，入射光照度还可以与补光光线的光强分布有关。

关于待测区域与氙灯光源13的补光中心的夹角β，可以基于如下参数确定：氙灯光源13与消光器件14的水平距离ρ，氙灯光源13与水面的垂直距离H。

比如说，根据数据处理的积分时间需求，限制最低入射光照度为E_m，则水面的入射光照度E可以由公式(4)表达，夹角β可以由公式(5)表达。

E＝I(β)cosβ/(ρ²+H²)＞E_m 公式(4)

β＝arctan(H/ρ) 公式(5)

从公式(5)可以看出，夹角β可以基于水平距离ρ和垂直距离H确定。

从公式(4)可以看出，入射光照度E可以基于光强分布I(β)、夹角β、水平距离ρ、垂直距离H、最低入射光照度E_m等参数确定。

关于夹角β、水平距离ρ和垂直距离H的相关含义，参见上述实施例，在此不再赘述。关于最低入射光照度E_m，可以是预先配置的光照度取值，可以是一个经验值，对此不做限制。以下对光强分布I(β)的相关内容进行说明。可以使用分光光度计对氙灯光源13的光强分布I(β)进行标定，而光强分布I(β)是一个与夹角β和垂直距离x(即氙灯光源13与第一变焦透镜17的垂直距离x)有关的函数，光强分布I(β)与夹角β和垂直距离x的关系可以参见公式(6)所示。

在公式(6)中，a₀(β)，a₁(β)…a_n(β)是拟合系数，可以根据经验配置。针对不同的夹角β，a₀(β)的取值可以不同或相同，针对不同的夹角β，a₁(β)的取值可以不同或相同，…，针对不同的夹角β，a_n(β)的取值可以不同或相同，即针对不同的夹角β配置一组拟合系数，该组拟合系数包括a₀(β)，a₁(β)…a_n(β)。

在公式(6)中，x表示氙灯光源13与第一变焦透镜17的垂直距离x。显然，针对不同的垂直距离x来说，光强分布I(β)的取值可以是不同的。

综上所述，在设计非接触式检测系统的结构时，其设计流程可以参见图5所示。首先，基于消光器件14的几何尺寸(即长轴长度d_M，短轴长度d_m，垂直距离l)确定摄像机的视场角θ。然后，基于摄像机的视场角θ、氙灯光源13与水面的垂直距离H、氙灯光源13与第一变焦透镜17的垂直距离x，确定氙灯光源13与消光器件14的水平距离ρ。然后，基于水平距离ρ、待测区域与氙灯光源13的补光中心的夹角β、垂直距离H、最低入射光照度E_m确定氙灯光源13发射的补光光线的入射光照度E。然后，基于夹角β、垂直距离x确定补光光线的光强分布I(β)。至此，完成非接触式检测系统的结构的设计。

参见图6所示，为非接触式检测系统的结构示意图，非接触式检测系统至少包括数据采集器件11、光电传感器件12、穹顶光源13(即补光光源采用穹顶光源)和摄像机，且摄像机至少包括消光器件14、光栅器件15和感光元件16。

穹顶光源13内部包括不同波长的多个发光二极管131，发光二极管131可以是LED(Light Emitting Diode，发光二极管)。与图1相比，非接触式检测系统还可以包括分路控制器件19，该分路控制器件19可以是多波长光强分路控制器件。分路控制器件19与穹顶光源13内部的每个发光二极管131连接，分路控制器件19，用于对发光二极管131输出控制信号(如对所有发光二极管131或者部分发光二极管131输出控制信号)，该控制信号用于指示发光二极管131发射补光光线。发光二极管131，用于在接收到控制信号时，向穹顶光源13的穹顶内壁发射补光光线，由穹顶内壁对补光光线进行反射后射向水域。

示例性的，非接触式检测系统还可以包括第二变焦透镜(在图6中并未示出第二变焦透镜)，第二变焦透镜位于消光器件14的下侧。散射光线经过第二变焦透镜到达消光器件14，反射光线经过第二变焦透镜到消光器件14。

参见图7所示，为非接触式检测系统的另一结构示意图，非接触式检测系统还包括第三变焦透镜18，散射光线经过第三变焦透镜18到达光电传感器件17，即第三变焦透镜18对散射光线进行处理，向光电传感器件17发射处理后的散射光线。反射光线经过第三变焦透镜18到达光电传感器件17，即第三变焦透镜18对反射光线进行处理，向光电传感器件17发射处理后的反射光线。

参见图6和图7所示，本申请实施例中提出的非接触式检测系统，可以利用穹顶光源13代替原有太阳光，并对消光器件14的尺寸进行设计，根据消光器件14的尺寸构建穹顶光源13的空间几何，最终实现排除水面反射的非接触式检测系统。以及，针对水面可能出现的波浪，基于光电传感器件12设计防过曝的非接触式检测系统，增强非接触式检测系统的适应范围。

为了保证光线能够覆盖水域中待检测物质的特征谱线，选用穹顶光源13作为补光光源，穹顶光源13发出的光线射向水域中的待检测物质，水域中的待检测物质(如叶绿素等)将补光光线进行散射，光谱中不同波长成分的散射情况不同，散射光线通过消光器件14入射到光栅器件15和感光元件16，由感光元件16生成目标图像，继而基于目标图像对散射光线的光谱成分进行检测。

参见图6和图7所示，穹顶光源13可以具有上方出光口和下方出光口，不同波长的多个发光二极管131放置于下方出光口的周围，将各发光二极管131的出光方向设置为垂直向上，穹顶光源13的穹顶内壁涂有漫反材料。

在需要向水域发射补光光线时，分路控制器件19可以向所有发光二极管131或者部分发光二极管131输出控制信号。针对接收到控制信号的每个发光二极管131，该发光二极管131可以向穹顶光源13的穹顶内壁发射补光光线，即，补光光线的方向为垂直向上，补光光线被发射到穹顶光源13的穹顶内壁。

由于穹顶光源13的穹顶内壁涂有漫反材料，因此，穹顶光源13的穹顶内壁在接收到补光光线后，可以对该补光光线进行反射，反射后的光线经过穹顶光源13的下方出光口射向水域，综上所述，穹顶光源13可以向水域发射补光光线，且由于多个发光二极管131同时发射补光光线，可以实现水域均匀照明。

补光光线被水域中的待检测物质散射后产生散射光线，补光光线被水面反射后产生反射光线。针对散射光线来说，可以经过穹顶光源13的上方出光口射向消光器件14，针对反射光线来说，可以经过穹顶光源13的上方出光口射向消光器件14。此外，散射光线和反射光线还能够照射到光电传感器件12。

消光器件14过滤接收到的反射光线，并将接收到的散射光线透传给光栅器件15，光栅器件15将散射光线分光到感光元件16，感光元件16基于分光后的光线生成针对待检测物质的目标图像。光电传感器件12基于接收到的散射光线和反射光线确定光信号强度。若该光信号强度大于信号强度阈值，则向数据采集器件11输出控制信号。若该光信号强度不大于该信号强度阈值，则不向数据采集器件11输出控制信号。数据采集器件11接收到控制信号时，禁止从感光元件16获取目标图像，数据采集器件11未接收到该控制信号，则可以从感光元件16获取目标图像，并基于该目标图像对待检测物质进行检测。

以下结合具体应用场景，对上述非接触式检测系统的结构进行说明。

示例性的，可以将穹顶光源13与消光器件14的水平距离记为ρ，将穹顶光源13与水面的垂直距离记为H，将消光器件14与第二变焦透镜的垂直距离记为l，将摄像机的视场角记为θ，将消光器件14的长轴长度记为d_M，将消光器件14的短轴长度记为d_m，将穹顶光源13上方出光口的直径记为ω1，且穹顶光源13上方出光口发出的光线射向消光器件14，将穹顶光源13下方出光口的直径记为ω2，且穹顶光源13下方出光口发出的光线射向水域，将穹顶光源13与消光器件14的垂直高度记为h，将穹顶光源13的垂直高度(自身高度)记为h₀。

关于长轴长度d_M和短轴长度d_m，是消光器件14本身的属性，与选取的消光器件14有关，在选取消光器件14后，长轴长度d_M和短轴长度d_m就是已知值。

关于垂直距离H，可以由激光雷达检测穹顶光源13与水面的垂直距离H，比如说，在图6或者图7的基础上，非接触式检测系统还可以包括激光雷达，该激光雷达可以用于检测穹顶光源13与水面的垂直距离H。

关于垂直高度h和垂直高度h₀，垂直高度h₀是穹顶光源13本身的属性，在选取穹顶光源13后，垂直高度h₀就是已知值。在穹顶光源13部署完成后，穹顶光源13与消光器件14的垂直高度h，也是一个已知值，即穹顶光源13的最高点与消光器件14的垂直高度h，对此垂直高度h的确定方式不做限制。

关于垂直距离l，第二变焦透镜是上下可移动的器件，因此，消光器件14与第二变焦透镜的垂直距离l是可变的，即，随着第二变焦透镜向上移动，垂直距离l减小，随着第二变焦透镜向下移动，垂直距离l变大。

关于视场角θ，视场角θ可以基于如下参数确定：消光器件14的长轴长度d_M，消光器件14的短轴长度d_m，消光器件14与第二变焦透镜17的垂直距离l。例如，短轴方向的视场角由以下公式决定：θ＝2arctaｎ（d_m/2l)，长轴方向的视场角由以下公式决定：θ＝2arctan(d_M/2l)，可以将短轴方向的视场角确定为摄像机的视场角θ，也可以将长轴方向的视场角确定为摄像机的视场角θ。

关于水平距离ρ，水平距离ρ可以基于如下参数确定：穹顶光源13与水面的垂直距离H以及摄像机的视场角θ。比如说，为了保证摄像机不会接收到水面对补光光线的反射信号，这就需要满足如下公式：2H·tan(θ/2)＜ρ。

示例性的，针对水平距离ρ来说，可以是穹顶光源13上方出光口的直径ω1的一半，也就是说，上述公式还等价为2H·tan(θ/2)＜ω1/2。

关于穹顶光源13上方出光口的直径ω1，穹顶光源13下方出光口的直径ω2，可以基于如下参数确定：消光器件14的长轴长度d_M、消光器件14的短轴长度d_m、穹顶光源13与消光器件14的垂直高度h、穹顶光源13的垂直高度h₀。

比如说，为了保证摄像机不会接收到水面对补光光线的反射信号，这就需要满足如下公式：

从上述公式可以看出，可以基于长轴长度d_M、短轴长度d_m、垂直高度h和垂直高度h₀确定直径ω1和直径ω2。

本申请实施例中还提出一种非接触式检测系统的实现方法，该非接触式检测系统用于在环境亮度小于亮度阈值时，对水域中的待检测物质进行检测，该非接触式检测系统至少可以包括数据采集器件、光电传感器件、摄像机和补光光源，该摄像机至少可以包括消光器件、光栅器件和感光元件。

参见图8所示，为该方法的流程示意图，该方法可以包括：

步骤801，补光光源向水域发射补光光线，该补光光线被水域中的待检测物质散射后产生散射光线，该补光光线被水面反射后产生反射光线。

步骤802，消光器件过滤接收到的反射光线，并将接收到的散射光线透传给该光栅器件，由该光栅器件将该散射光线分光到该感光元件，由该感光元件基于分光后的光线生成针对该待检测物质的目标图像。

步骤803，光电传感器件基于接收到的散射光线和反射光线确定光信号强度；若该光信号强度大于信号强度阈值，则向数据采集器件输出控制信号。

步骤804，数据采集器件若接收到该控制信号，则禁止从该感光元件获取目标图像；若未接收到该控制信号，则从该感光元件获取目标图像。

其中，该目标图像用于对该待检测物质进行检测。

由以上技术方案可见，可以在环境亮度小于亮度阈值时，对水域中的待检测物质进行检测，即分析待检测物质的组成成分，从而得到夜间的水环境数据，在夜间实现水环境检测，有效拓展水质检测的有效范围，实现夜间水体非接触式的实时检测，在水体保护中具有重要意义，能够发现工厂偷排污和微生物繁殖等情况。在采集针对待检测物质的目标图像时，考虑到水域中的待检测物质散射后产生散射光线，而水面反射后产生反射光线，反射光线的存在会对散射光线造成干扰，导致目标图像的可靠性降低，因此，在非接触式检测系统部署消光器件，由消光器件过滤反射光线，并透传散射光线，从而基于散射光线生成针对待检测物质的目标图像，避免反射光线对散射光线的干扰，提高目标图像的可靠性，基于目标图像分析待检测物质的组成成分时，准确性大大提高。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机，计算机的具体形式可以是个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件收发设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任意几种设备的组合。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可以由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其它可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其它可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

而且，这些计算机程序指令也可以存储在能引导计算机或其它可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或者多个流程和/或方框图一个方框或者多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其它可编程数据处理设备上，使得在计算机或者其它可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其它可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种非接触式检测系统，其特征在于，所述非接触式检测系统用于在环境亮度小于亮度阈值时，对水域中的待检测物质进行检测；

所述非接触式检测系统至少包括数据采集器件、光电传感器件、摄像机和补光光源，所述摄像机至少包括消光器件、光栅器件和感光元件；

所述补光光源，用于向水域发射补光光线，所述补光光线被水域中的待检测物质散射后产生散射光线，所述补光光线被水面反射后产生反射光线；

所述消光器件，用于过滤接收到的反射光线，并将接收到的散射光线透传给所述光栅器件，由所述光栅器件将所述散射光线分光到所述感光元件，由所述感光元件基于分光后的光线生成针对所述待检测物质的目标图像；

所述光电传感器件，用于基于接收到的散射光线和反射光线确定光信号强度；若所述光信号强度大于信号强度阈值，则向数据采集器件输出控制信号；

所述数据采集器件，用于若接收到控制信号，则禁止从所述感光元件获取目标图像；若未接收到控制信号，则从所述感光元件获取目标图像；

其中，所述目标图像用于对所述待检测物质进行检测。

2.根据权利要求1所述的非接触式检测系统，其特征在于，所述补光光源具体为氙灯光源，所述非接触式检测系统还包括第一变焦透镜；

所述氙灯光源，用于向所述第一变焦透镜发射补光光线，由所述第一变焦透镜对所述补光光线进行处理，并向水域发射处理后的补光光线。

3.根据权利要求2所述的非接触式检测系统，其特征在于，所述氙灯光源与所述消光器件的水平距离基于如下参数确定：所述氙灯光源与水面的垂直距离，所述摄像机的视场角，所述氙灯光源与所述第一变焦透镜的垂直距离。

4.根据权利要求2所述的非接触式检测系统，其特征在于，

所述氙灯光源发射的补光光线的入射光照度基于如下参数确定：所述待检测物质所在的待测区域与所述氙灯光源的补光中心的夹角，所述氙灯光源与所述消光器件的水平距离，所述氙灯光源与水面的垂直距离，最低入射光照度；

所述待测区域与所述氙灯光源的补光中心的夹角基于如下参数确定：所述氙灯光源与所述消光器件的水平距离，所述氙灯光源与水面的垂直距离。

5.根据权利要求1所述的非接触式检测系统，其特征在于，所述补光光源具体为穹顶光源，所述穹顶光源内部包括不同波长的多个发光二极管；

所述非接触式检测系统还包括分路控制器件，所述分路控制器件与每个发光二极管连接，所述分路控制器件，用于对发光二极管输出控制信号；

所述发光二极管，用于在接收到所述控制信号时，向所述穹顶光源的穹顶内壁发射补光光线，由所述穹顶内壁对所述补光光线进行反射后射向水域。

6.根据权利要求5所述的非接触式检测系统，其特征在于，

所述穹顶光源与所述消光器件的水平距离基于如下参数确定：

所述穹顶光源与水面的垂直距离以及所述摄像机的视场角。

7.根据权利要求5所述的非接触式检测系统，其特征在于，

所述穹顶光源上方出光口的直径和所述穹顶光源下方出光口的直径，基于如下参数确定：所述消光器件的长轴长度、所述消光器件的短轴长度、所述穹顶光源与所述消光器件的垂直高度、及所述穹顶光源的垂直高度；其中，

所述穹顶光源上方出光口发出的光线射向所述消光器件；

所述穹顶光源下方出光口发出的光线射向所述水域。

8.根据权利要求3或6所述的非接触式检测系统，其特征在于，所述非接触式检测系统还包括第二变焦透镜，散射光线经过所述第二变焦透镜到达所述消光器件，反射光线经过所述第二变焦透镜到达所述消光器件；

所述摄像机的视场角基于如下参数确定：所述消光器件的长轴长度，所述消光器件的短轴长度，所述第二变焦透镜与所述消光器件的垂直距离。

9.根据权利要求3、4或6所述的非接触式检测系统，其特征在于，

所述非接触式检测系统还包括激光雷达；所述激光雷达用于检测所述氙灯光源与水面的垂直距离，或者，检测所述穹顶光源与水面的垂直距离。

10.根据权利要求1-7任一项所述的非接触式检测系统，其特征在于，所述非接触式检测系统还包括第三变焦透镜，散射光线经过所述第三变焦透镜到达所述光电传感器件，反射光线经过所述第三变焦透镜到达所述光电传感器件。

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