CN114964361B - 一种基于das的海洋光声断层成像方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于DAS的海洋光声断层成像方法及系统，该系统包括：激光器、飞行器、特种光缆、深度可控浮筒、DAS以及图像重构模块。其中飞行器装载的激光器产生脉冲激光，照射在设定的海洋区域，在光声效应的作用下转换成的超声波；特种光缆围绕设定海洋区域，深度可控浮筒设置在特种光缆上，控制特种光缆的入水深度；DAS与特种光缆连接，通过特种光缆接收超声信息；图像重构模块根据DAS处理后的超声波信息重构出特种光缆所围海洋区域的断层图像。本发明通过光声断层成像技术获得海洋中盐分、温度和生物群情况，具有全三维、高精度的优点，此外本发明采用DAS系统探测产生的超声波，具有探测范围广、连续测量无盲区、灵敏度高、响应速度快的优点。

Description

一种基于DAS的海洋光声断层成像方法及系统
技术领域
本发明属于光纤传感和光声断层成像技术领域，尤其涉及一种基于DAS的海洋光声断层成像方法及系统。
背景技术
海洋监测技术作为海洋科学的重要组成部分, 在维护海洋权益、开发海洋资源、预警海洋灾害等方面起着十分重要的作用，长期以来, 国际海洋科学组织和海洋强国一直都非常重视海洋环境监测技术的研究。在海洋动力环境要素中, 海水温度、盐度、深度及生物群密度是最基础的海洋环境信息，也是海洋水文观测的基本要素，利用海水温盐剖面观测仪器，可精确测得不同深度海水的温度和电导率参数，进而能够推算出海水盐度、密度、声速等相关信息，海洋中浮游生物种多、数量大，是经济鱼类的饵料基础，某些浮游生物的种类数量分布可提示众多鱼类索饵洄游的路线，有助于寻找渔场位置、确定渔期；有的种类本身就是渔业资源，如海蜇、毛虾和磷虾，均可供食用。另外，海洋中的大型鱼类以及珊瑚群的分布特点也具有很大的研究价值。因此对于海洋中生物群密度的监测对渔业生产和海洋科学基础理论都有重要意义。
目前对于海水中温盐深的观测，主要观测工具利用的是电子型温盐深仪（conductivity temperature depth,CTD）系统，该系统具有精度高、实用性广等优点，但在某些方面依然存在一些不足，如存在系统价格通常较高、体积大、易受电磁干扰等问题。此外为点式传感器，通过航行过程中的若干测量点来覆盖大面积海洋，效率低下，并且数据并非同一时刻获得，存在一定误差，同时为了获得一定深度的海洋盐度和温度数据，需要在海试中使用串联CTD，这大大提高了成本。因此光纤传感器因其结构紧凑、灵敏度高、耐高温、复用方便、可现场测量和抗外部电磁干扰等特点受到越来越多的关注。目前，国内外文献报道中基于各种光纤传感原理和结构的CTD传感器被多次提出，主要包括传统的短周期光纤布拉格光栅（FBG）、长周期光纤光栅（LPG）、多芯光纤、基于Michelson和MachZehnder干涉式、光纤F-P腔干涉式、超细纤维结/线圈谐振器、高双折射椭圆光纤Sagnac环、光学微纤维耦合器等。但是这些光纤CTD传感器也存在探测范围小、无法连续分布式测量、响应速度慢的问题。
发明内容
针对以上问题，本发明提供一种基于DAS的海洋光声断层成像方法及系统，可以得到海洋中探测区域内盐分、温度以及生物群分布情况的立体光声图像。
为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于分布式声波传感器DAS的海洋光声断层成像系统，所述基于DAS的海洋光声断层成像系统包括：激光器、飞行器、特种光缆、深度可控浮筒、DAS以及图像重构模块；所述激光器产生脉冲激光，经空气传播后照射在设定的海洋区域，在光声效应的作用下产生超声波；所述飞行器用于装载激光器；所述特种光缆围绕设定海洋区域；所述深度可控浮筒设置在DAS中的特种光缆上，控制特种光缆的入水深度；所述DAS包括特种光缆连接，通过特种光缆接收超声波信息；所述图像重构模块根据DAS处理后的超声波信息重构出特种光缆所围海洋区域的断层图像。
进一步地，所述激光器为Nd:YAG激光器，波长890nm，单脉冲能量为50J。
进一步地，所述飞行器为运20运输机，最大载重量66吨。
进一步地，所述特种光缆密度与海水密度一致，特种光缆长度为60km。
进一步地，所述深度可控浮筒密度与海水密度一致，装配有动力装置以控制深度可控浮筒的入水深度。
进一步地，相邻深度可控浮筒之间的特种光缆弧垂长度不超过相邻深度可控浮筒之间特种光缆长度的5%。
进一步地，所述DAS为Ada-5000系列分布式光纤微扰动监测仪，空间分辨率10m，空间定位精度5m，最高测量频率为50kHz。
一种基于DAS的海洋光声断层成像方法，具体步骤包括：
步骤一、激光器产生的脉冲激光与DAS进行授时同步，脉冲激光经空气传播照射在特种光缆围绕的设定海洋区域，在光声效应的作用下产生超声波；
步骤二、超声波通过特种光缆传递到DAS，DAS根据接收到的超声波进行处理后得到特种光缆上任一位置的超声波信息；
步骤三、根据特种光缆上任一位置的超声波信息，结合图像重构算法重构出特种光缆所围海洋区域的断层图像。
进一步地，所述图像重构算法为拉东变换算法。
一种基于DAS的海洋光声立体成像方法，通过调整深度可控浮筒，控制特种光缆的入水深度，采用如上所述的基于DAS的海洋光声断层成像方法，获得不同深度海洋区域的断层图像，进而获得设定海洋区域的立体光声图像。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
（1）将光声断层成像技术应用于海洋领域，来获得海洋中盐分、温度和生物群分布情况，具有全三维、高精度的特点；
（2）用基于分布式声波传感器的DAS系统来探测脉冲激光照射设定海洋区域产生的超声波，具有探测范围广、连续测量无盲区，并且灵敏度高、响应速度快的优点；
（3）将深度可控浮筒固定在特种光缆上，控制特种光缆的入水深度，特种光缆授时同步超声波信息，获得不同深度海洋区域的断层图像，以重构设定海洋区域的立体光声图像。
附图说明
图1是本发明一种基于DAS的海洋光声断层成像系统的结构图；
图2是本发明一种基于DAS的海洋光声断层成像方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示是本发明一种基于DAS的海洋光声断层成像方法及系统的结构图，该系统包括：激光器、飞行器、特种光缆、深度可控浮筒、DAS以及图像重构模块；所述激光器产生脉冲激光，经空气传播后照射在设定的海洋区域；所述飞行器用于装载激光器；所述特种光缆围绕设定海洋区域；所述深度可控浮筒设置在特种光缆上，控制特种光缆的入水深度；所述DAS与特种光缆连接，通过特种光缆接收脉冲激光在光声效应的作用下转换成的超声波，同时对接收的超声波进行信号处理；所述图像重构模块根据DAS处理后的超声波信息对不同特种光缆围成的设定海洋区域进行重构，得到设定海洋区域的立体光声图像。
其中，该系统中的激光器为Nd:YAG激光器，波长为890nm，单脉冲能量达50J。飞行器为运20运输机，最大载重量66吨。特种光缆密度与海水密度一致，特种光缆长度为60km。深度可控浮筒密度与海水密度一致，装配有动力装置控制深度可控浮筒入水的深度，同时可获取所述深度可控浮筒的经纬度坐标以及所述深度可控浮筒对应在特种光缆上的位置，相邻深度可控浮筒之间的特种光缆弧垂长度不超过相邻深度可控浮筒之间特种光缆长度的5%。DAS为Ada-5000系列分布式光纤微扰动监测仪，空间分辨率10m，空间定位精度5m，最高测量频率为50kHz。
一种基于DAS的海洋光声断层成像方法步骤包括：
步骤一、激光器产生的脉冲激光与DAS进行授时同步，脉冲激光经空气传播照射在特种光缆围绕的设定海洋区域，在光声效应的作用下产生超声波；
步骤二、超声波通过特种光缆传递到DAS，DAS根据接收到的超声波进行处理后得到特种光缆上任一位置的超声波信息；
步骤三、根据特种光缆上任一位置的超声波信息结合图像重构算法重构出特种光缆所围海洋区域的断层图像；
当进行单次局部测量时，设定海洋区域为圆形，圆形的最大测量面积为286.5km2；进行若干次局部测量时，设定海洋区域为六边形蜂窝状结构。
其中，步骤三中的图像重构算法为拉东变换算法。
一种基于DAS的海洋光声立体成像方法，在光声断层成像方法的基础上不断调整深度可控浮筒和特种光缆的深度，获得不同深度海洋区域的断层图像，以重构设定海洋区域的立体光声图像。
该系统采用飞行器上的激光器产生脉冲激光，照射在特种光缆围绕的设定海洋区域，被照射海洋区域及邻近区域，通过光声效应产生超声波，由特种光缆及DAS接收产生的超声波，用于探测海洋不同深度的盐分、温度和生物群分布情况。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于DAS的海洋光声断层成像系统，其特征在于，所述基于DAS的海洋光声断层成像系统包括：激光器、飞行器、特种光缆、深度可控浮筒、DAS以及图像重构模块；所述激光器产生脉冲激光，经空气传播后照射在设定的海洋区域，在光声效应的作用下产生超声波；所述飞行器用于装载激光器；所述特种光缆围绕设定海洋区域；所述深度可控浮筒设置在DAS中的特种光缆上，控制特种光缆的入水深度；所述DAS包括特种光缆连接，通过特种光缆接收超声波信息；所述图像重构模块根据DAS处理后的超声波信息重构出特种光缆所围海洋区域的断层图像；所述激光器为Nd:YAG激光器，波长890nm，单脉冲能量为50J；所述飞行器为运20运输机，最大载重量66吨；所述特种光缆密度与海水密度一致，特种光缆长度为60km；所述深度可控浮筒密度与海水密度一致，装配有动力装置以控制深度可控浮筒的入水深度；相邻深度可控浮筒之间的特种光缆弧垂长度不超过相邻深度可控浮筒之间特种光缆长度的5%；所述DAS为Ada-5000系列分布式光纤微扰动监测仪，空间分辨率10m，空间定位精度5m，最高测量频率为50kHz。
2.一种基于DAS的海洋光声断层成像方法，其特征在于，基于如权利要求1所述基于DAS的海洋光声断层成像系统进行成像，所述断层成像方法具体步骤包括：
步骤一、激光器产生的脉冲激光与DAS进行授时同步，脉冲激光经空气传播照射在特种光缆围绕的设定海洋区域，在光声效应的作用下产生超声波；
步骤二、超声波通过特种光缆传递到DAS，DAS根据接收到的超声波进行处理后得到特种光缆上任一位置的超声波信息；
步骤三、根据特种光缆上任一位置的超声波信息，结合图像重构算法重构出特种光缆所围海洋区域的断层图像。
3.根据权利要求2所述的一种基于DAS的海洋光声断层成像方法，其特征在于，所述图像重构算法为拉东变换算法。
4.一种基于DAS的海洋光声立体成像方法，其特征在于，通过调整深度可控浮筒，控制特种光缆的入水深度，采用如权利要求2或3所述的基于DAS的海洋光声断层成像方法，获得不同深度海洋区域的断层图像，进而获得设定海洋区域的立体光声图像。
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