CN113777057A - 一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统及其使用方法，所述检测系统包括主控制器和对样品培养皿成像的光谱成像装置；所述光谱成像装置包括工业相机，还包括设于暗箱内的背景板和光源；所述样品培养皿置于背景板处并受到光源照射；所述光源包括卤素光源和设于其出光方向上的匀光片；所述工业相机的光输入端处设有能透射赤潮藻相关特征波长光线的滤光片；所述滤光片安装在转轮上，转轮由步进电机驱动；所述主控制器通过控制工业相机和步进电机采集培养皿中样品图像以进行赤潮检测；本发明能降低设备成本，同时快速、无损地获取不同采样点赤潮光谱信息。
Description
技术领域
本发明涉及海洋检测技术领域，尤其是一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统及其使用方法。
背景技术
赤潮是海洋污染的一种，具有突发性和危害性，不仅危害海洋生态环境，同时也极大地影响了海洋渔业、旅游业、经济和人类的健康。
传统赤潮检测技术如显微镜观察技术，费时费力，且对检测人员专业性要求较高。近年来，卫星遥感技术、电化学测定技术、光谱检测技术在赤潮检测领域得到广泛发展。
卫星遥感技术受光照、海雾、海面鱼鳞光等的影响，检测精度低。电化学测定技术需要使用多个传感器，价格昂贵，且只能测定水体中特定的环境因子，不能直接对赤潮进行检测。
基于光谱的赤潮检测技术是最新的研究方向，如何降低成本、且快速从大量的光谱数据中获取有用信息是现在光谱成像技术中急需解决的问题。
发明内容
本发明提出一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统及其使用方法，能降低设备成本，同时快速、无损地获取不同采样点赤潮光谱信息。
本发明采用以下技术方案。
一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统，所述检测系统包括主控制器和对样品培养皿成像的光谱成像装置；所述光谱成像装置包括工业相机，还包括设于暗箱内的背景板和光源；所述样品培养皿置于背景板处并受到光源照射；所述光源包括卤素光源和设于其出光方向上的匀光片；所述工业相机的光输入端处设有能透射赤潮藻相关特征波长光线的滤光片；所述滤光片安装在转轮上，转轮由步进电机驱动；所述主控制器通过控制工业相机和步进电机采集培养皿中样品图像以进行赤潮检测。
所述滤光片安装于滤光模块的滤光片转轮中，所述滤光片转轮由步进电机驱动，所述光源、步进电机和工业相机均由主控制器控制。
所述滤光片半波宽不超过10nm，其数量不少于六片；所述滤光片放置于滤光片转轮的孔位处，使滤光模块可透射赤潮藻相关特征波长光线并滤除其它波长光线。
所述滤光片转轮的孔位不少于6个，滤光片转轮轴线与工业相机轴线平行。
所述步进电机驱动滤光片转轮，使滤光片转轮的孔位在工业相机光输入端处精确切换以更改光的输入波段，相邻孔位的切换速度不大于一秒，孔位切换的位置精度角度误差不大于1°；所述滤光片转轮以初始化操作来有序采集样品图像，并校正系统累计转动误差。
所述卤素光源由直流电源供电，所述直流电源为经直流稳压控制器转换220v交流电源而形成的稳定电压直流电源；所述匀光片厚度不小于2mm，用于把卤素光源的出射光转换为平行光。
滤光片、工业镜头和探测器共同构成所述工业相机的光输入端；所述工业相机固定于相机支架上用于采集样品培养皿中样品图像。
所述卤素光源功率不超过35瓦，所述暗箱箱体内的卤素光源数量不超过4盏，且均置于背景板和样品培养皿上方，所述背景板采用米白色绒布作为背景，其反射率值在0.2-1之间。
所述暗箱箱体为框架式结构，箱体下方设置有门以方便放置样品，箱体处设有用于对光谱成像装置散热的风扇。
一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统的使用方法，包括以下骤；
步骤S1、系统初始化工作，包括开启风扇、预热卤素光源和滤光片位置复位；
步骤S2、获取白板数据：设定曝光时长后，以100％标定板覆盖背景板，再以工业相机对其成像，获得每个波段下的白板数据；
步骤S3、获取暗电流数据：盖上工业相机的镜头盖后，主控制器控制工业相机拍照，获得每个波段下的暗电流数据；
步骤S4、把样本海水放入培养皿，置于背景板上方，关上暗箱箱门；
步骤S5、主控制器控制工业相机对培养皿中的样本海水拍照，并选取照片中的感兴趣区域，获取样本的光谱反射率和反射率曲线，反射率计算公式为
式中，R0为待测水体图像的光谱，Rdark为反射率为0％的暗电流图像的光谱，Rwhite为反射率为100％的标准白板图像的光谱，R为待测水体反射率；
步骤S6、。把光谱反射率代入预测模型来判定样本海水所在水域是否发生赤潮，预测模型以公式表述为
y＝(78.0334-181.511x1+22.35818x2+104.6589x3-97.90312x4)×107；
式中,y表示赤潮异湾藻的浓度，单位为cell/l，x1、x2、x3、x4分别表示四个特征波段下的反射率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明选用工业相机结合滤光片的形式进行成像，既有利于降低设备成本，又能获得检测赤潮所需的光谱信息。
2.本发明主控制器设计人机交互界面，有利于更加便捷、直观获取赤潮信息，并且使用范围广，适用于非专业人员使用。
3.本发明设计为成套系统，携带方便，操作简单，能快速、无损的实现对赤潮浓度的检测。
本发明的有益效果还在于：可以快速、无损地获得不同采样点水体的光谱图像，选用可见光相机和滤光片使成本大幅度降低，设计为成套系统，携带方便，使用简单，同时用户可以根据需求更换转轮上的滤光片，适用范围广。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的结构原理示意图；
附图2是本发明的检测流程示意图；
附图3是本发明步骤S2中不同曝光时长下的白板数据示意图；
附图4是光的不同波段下海水样本的赤潮异湾藻图像示意图；
附图5是海水样本的赤潮异湾藻图像的反射率曲线示意图；
附图6是本发明的示意图；
附图7是滤光片转轮的示意图；
图中：1-背景板；2-样品培养皿；3-暗箱；4-匀光片；5-卤素光源；6-工业相机；7-主控制器；8-滤光片转轮；9-滤光片。
具体实施方式
如图所示，一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统，所述检测系统包括主控制器7和对样品培养皿2成像的光谱成像装置；所述光谱成像装置包括工业相机6，还包括设于暗箱3内的背景板1和光源；所述样品培养皿置于背景板处并受到光源照射；所述光源包括卤素光源5和设于其出光方向上的匀光片4；所述工业相机的光输入端处设有能透射赤潮藻相关特征波长光线的滤光片9；所述滤光片安装在转轮上，转轮由步进电机驱动；所述主控制器通过控制工业相机和步进电机采集培养皿中样品图像以进行赤潮检测。
所述滤光片安装于滤光模块的滤光片转轮8中，所述滤光片转轮由步进电机驱动，所述光源、步进电机和工业相机均由主控制器控制。
所述滤光片半波宽不超过10nm，其数量不少于六片；所述滤光片放置于滤光片转轮的孔位处，使滤光模块可透射赤潮藻相关特征波长光线并滤除其它波长光线。
所述滤光片转轮的孔位不少于6个，滤光片转轮轴线与工业相机轴线平行。
所述步进电机驱动滤光片转轮，使滤光片转轮的孔位在工业相机光输入端处精确切换以更改光的输入波段，相邻孔位的切换速度不大于一秒，孔位切换的位置精度角度误差不大于1°；所述滤光片转轮以初始化操作来有序采集样品图像，并校正系统累计转动误差。
所述卤素光源由直流电源供电，所述直流电源为经直流稳压控制器转换220v交流电源而形成的稳定电压直流电源；所述匀光片厚度不小于2mm，用于把卤素光源的出射光转换为平行光。
滤光片、工业镜头和探测器共同构成所述工业相机的光输入端；所述工业相机固定于相机支架上用于采集样品培养皿中样品图像。
所述卤素光源功率不超过35瓦，所述暗箱箱体内的卤素光源数量不超过4盏，且均置于背景板和样品培养皿上方，所述背景板采用米白色绒布作为背景，其反射率值在0.2-1之间。
所述暗箱箱体为框架式结构，箱体下方设置有门以方便放置样品，箱体处设有用于对光谱成像装置散热的风扇。
一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统的使用方法，包括以下骤；
步骤S1、系统初始化工作，包括开启风扇、预热卤素光源和滤光片位置复位；
步骤S2、获取白板数据：设定曝光时长后，以100％标定板覆盖背景板，再以工业相机对其成像，获得每个波段下的白板数据；
步骤S3、获取暗电流数据：盖上工业相机的镜头盖后，主控制器控制工业相机拍照，获得每个波段下的暗电流数据；
步骤S4、把样本海水放入培养皿，置于背景板上方，关上暗箱箱门；
步骤S5、主控制器控制工业相机对培养皿中的样本海水拍照，并选取照片中的感兴趣区域，获取样本的光谱反射率和反射率曲线，反射率计算公式为
式中，R0为待测水体图像的光谱，Rdark为反射率为0％的暗电流图像的光谱，Rwhite为反射率为100％的标准白板图像的光谱，R为待测水体反射率；
步骤S6、。把光谱反射率代入预测模型来判定样本海水所在水域是否发生赤潮，预测模型以公式表述为
y＝(78.0334-181.511x1+22.35818x2+104.6589x3-97.90312x4)×107；
式中,y表示赤潮异湾藻的浓度，单位为cell/l，x1、x2、x3、x4分别表示四个特征波段下的反射率。
实施例：
本例中，所述主控制器基于Matlab、Python、C++编程，使用Labview制作人机交互界面，对风扇、卤素光源直流稳压控制器、工业相机和步进电机进行控制，并对所得图像进行处理，实现赤潮浓度检测。
人机交互界面包括系统初始化、曝光时间、光谱图像、光谱反射率、光谱曲线、赤潮浓度计算等窗口。
本例中，所述暗箱箱体使用框架式结构，铝合金材料，结构牢固，质量轻，箱体上方设置把手，便于携带。暗箱中采用米白色绒布作为背景板，选用25w卤素灯2盏作为卤素光源，固定于暗箱箱体上与工业相机同高的位置，卤素灯灯杯前安装3mm厚度的均光片，卤素灯先接直流稳压控制器，直流稳压控制器再接220v交流电源，为暗室提供光源。
本例中，工业相机选用FA1201C相机，焦距为12mm，和镜头整体固定在相机支架上，光圈调到最大位置，减小成像时相机自身噪声的影响；用直径为25mm，厚度为2mm，半波宽为10nm，峰值透射率大于70％的滤光片9片，固定在滤光片转轮中。步进电机驱动滤光片转轮以相邻工位切换时间为1s，每个工位停顿2s的速度运行。
本例中，以检测赤潮异湾藻浓度为例。第一步，对系统进行初始化，包括开启风扇，卤素光源预热30min，滤光片转轮回到初始位置，相机开启等。第二步，获取校正参数，包括白板数据和暗电流数据。首先，通过“曝光时间”窗口测试曝光时间，如图3所示，确定最佳用曝光时间为240ms。然后用100％标定板覆盖背景板成像，获得每个波段下的白板数据；盖上镜头盖进行成像，获得每个波段下的暗电流数据。通过主控制器设计的人机交互界面中“光谱反射率计算”窗口进行计算，得到暗电流值为1。第三步，取赤潮异湾藻藻液10ml于培养皿中置于背景板的上方，并保持藻细胞在培养皿中均匀分布，关好箱门。第四步，通过主控制器设计的人机交互界面中“光谱图像”窗口获得特征波段下赤潮异湾藻的图像，如图4所示。选择培养皿中藻液所在位置的120×120个像素点作为感兴趣区域，通过“光谱曲线”窗口得到光谱反射率和反射率曲线，如图5所示，反射率计算公式如下：
式中，R0为待测水体图像的光谱，Rdark为反射率为0％的暗电流图像的光谱，Rwhite为反射率为100％的标准白板图像的光谱，R为待测水体反射率。
通过“赤潮浓度计算”窗口将光谱反射率代入模型计算得到赤潮浓度为4.3305×106cell/l，而赤潮异湾藻发生赤潮时的基准浓度为5×106cell/l，所以待测水体未发生赤潮。预测模型如下：
y＝(78.0334-181.511x1+22.35818x2+104.6589x3-97.90312x4)×107
式中,y表示赤潮异湾藻的浓度，单位为cell/l，x1、x2、x3、x4分别表示四个特征波段下的反射率。
Claims (10)
1.一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统，其特征在于：所述检测系统包括主控制器和对样品培养皿成像的光谱成像装置；所述光谱成像装置包括工业相机，还包括设于暗箱内的背景板和光源；所述样品培养皿置于背景板处并受到光源照射；所述光源包括卤素光源和设于其出光方向上的匀光片；所述工业相机的光输入端处设有能透射赤潮藻相关特征波长光线的滤光片；所述滤光片安装在转轮上，转轮由步进电机驱动；所述主控制器通过控制工业相机和步进电机采集培养皿中样品图像以进行赤潮检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统，其特征在于：所述滤光片安装于滤光模块的滤光片转轮中，所述滤光片转轮由步进电机驱动，所述光源、步进电机和工业相机均由主控制器控制。
3.根据权利要求2所述的一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统，其特征在于：所述滤光片半波宽不超过10nm，其数量不少于六片；所述滤光片放置于滤光片转轮的孔位处，使滤光模块可透射赤潮藻相关特征波长光线并滤除其它波长光线。
4.根据权利要求3所述的一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统，其特征在于：所述滤光片转轮的孔位不少于6个，滤光片转轮轴线与工业相机轴线平行。
5.根据权利要求3所述的一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统，其特征在于：所述步进电机驱动滤光片转轮，使滤光片转轮的孔位在工业相机光输入端处精确切换以更改光的输入波段，相邻孔位的切换速度不大于一秒，孔位切换的位置精度角度误差不大于1°；所述滤光片转轮以初始化操作来有序采集样品图像，并校正系统累计转动误差。
6.根据权利要求1所述的一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统，其特征在于：所述卤素光源由直流电源供电，所述直流电源为经直流稳压控制器转换220v交流电源而形成的稳定电压直流电源；所述匀光片厚度不小于2mm，用于把卤素光源的出射光转换为平行光。
7.根据权利要求1所述的一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统，其特征在于：滤光片、工业镜头和探测器共同构成所述工业相机的光输入端；所述工业相机固定于相机支架上用于采集样品培养皿中样品图像。
8.根据权利要求1所述的一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统，其特征在于：所述卤素光源功率不超过35瓦，所述暗箱箱体内的卤素光源数量不超过4盏，且均置于背景板和样品培养皿上方，所述背景板采用米白色绒布作为背景，其反射率值在0.2-1之间。
9.根据权利要求1所述的一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统，其特征在于：所述暗箱箱体为框架式结构，箱体下方设置有门以方便放置样品，箱体处设有用于对光谱成像装置散热的风扇。
10.一种基于光谱成像的海洋赤潮快速检测系统的使用方法，其特征在于：包括以下骤；
步骤S1、系统初始化工作，包括开启风扇、预热卤素光源和滤光片位置复位；
步骤S2、获取白板数据：设定曝光时长后，以100％标定板覆盖背景板，再以工业相机对其成像，获得每个波段下的白板数据；
步骤S3、获取暗电流数据：盖上工业相机的镜头盖后，主控制器控制工业相机拍照，获得每个波段下的暗电流数据；
步骤S4、把样本海水放入培养皿，置于背景板上方，关上暗箱箱门；
步骤S5、主控制器控制工业相机对培养皿中的样本海水拍照，并选取照片中的感兴趣区域，获取样本的光谱反射率和反射率曲线，反射率计算公式为
式中，R0为待测水体图像的光谱，Rdark为反射率为0％的暗电流图像的光谱，Rwhite为反射率为100％的标准白板图像的光谱，R为待测水体反射率；
步骤S6、。把光谱反射率代入预测模型来判定样本海水所在水域是否发生赤潮，预测模型以公式表述为y＝(78.0334-181.511x1+22.35818x2+104.6589x3-97.90312x4)×107；
式中,y表示赤潮异湾藻的浓度，单位为cell/l，x1、x2、x3、x4分别表示四个特征波段下的反射率。
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