CN115855828A - 一种基于光声成像的污损检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光声成像的污损检测装置和检测方法，其中检测装置包括：至少具有一个透明表面的密封罩；包含激光器、光纤束和多个微光纤准直器的光声激发模块；所述微光纤准直器集成于所述透明表面内，用于向所述透明表面外照射激光以产生光声信号；光声采集模块，其沿所述光声信号的传播方向设置，用于收集所述光声信号；数据处理模块，其与所述光声采集模块通信连接，并根据收集的所述光声信号计算所述透明表面外的污损程度。本发明采用纳秒级的光脉冲，提高检测的准确性；激光依序遍历光纤，能够准确定位污损的位置，为污损的清除提供可靠依据。
Description
技术领域
本发明涉及水下检测的技术领域，具体涉及一种基于光声成像的污损检测装置及方法。
背景技术
水下仪器装备表面的海洋生物污损通常会导致观测信号的漂移和数据误差，对仪器装备的服役寿命造成严重影响；随着污损的加剧，必要的人工维护频率和成本也急剧增加。因此，及时检测水下污损的发生，对有效清除污损，保护仪器装备非常必要。
然而受限于水下光照条件及光在水中的强散射、反射、折射作用，基于传统光学探测的水下仪器装备表面生物污损原位监测很难有效实现。
综上，现需要设计一种基于光声成像的污损检测装置及方法来解决现有技术中的问题。
发明内容
本发明提供了一种基于光声成像的污损检测装置及方法，解决了水下仪器装备表面的海洋生物污损不易检测而造成的观测信号不准确的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于光声成像的污损检测装置，包括：
密封罩，其设有至少一透明表面；
光声激发模块，其包括激光器、光纤束和多个微光纤准直器，所述光纤束的一端通过光开关与所述激光器连接，其另一端分别与多个所述微光纤准直器连接；所述微光纤准直器集成于所述透明表面内用于向所述透明表面外照射激光以产生光声信号；
光声采集模块，其沿所述光声信号的传播方向设置，用于收集所述光声信号；
数据处理模块，其与所述光声采集模块通信连接，并根据收集的所述光声信号计算所述透明表面外的污损程度。
在本发明的一些实施例中，所述微光纤准直器在所述透明表面上呈阵列式分布；所述光开关用于控制激光遍历所述光纤束；所述激光器发出的激光为脉冲激光。
在本发明的一些实施例中，所述光声采集模块包括依次通信连接的超声换能器、信号放大器和数据采集卡；所述超声换能器设置在所述光声信号的传播方向上，用于接收所述光声信号；所述信号放大器用于将所述超声换能器采集的光声信号放大后发送到所述数据采集卡中，所述数据采集卡用于将放大后的光声信号传递至所述数据处理模块。
在本发明的一些实施例中，所述数据处理模块用于将所述透明表面划分为多个虚拟网格，多个所述微光纤准直器分别位于各个所述虚拟网格中。
在本发明的一些实施例中，所述污损检测装置的检测方法包括以下步骤：
S1、所述激光器发射脉冲激光，经光纤束进入微光纤准直器，由所述微光纤准直器向所述透明表面外照射以产生光声信号；
S2、所述超声换能器采集到所述步骤S1中的光声信号后，通过信号放大器进入数据采集卡，所述数据采集卡将数据输入所述数据处理模块；
S3、所述数据处理模块对所述数据进行预处理后得到光声信号的幅值Ai，然后计算光声信号的原始幅值A0i；
S4、所述数据处理模块根据所述步骤S3中的原始幅值A0i对各个成像网格的亮度值赋值后进行归一化，得到初始图像，即为检测结果。
在本发明的一些实施例中，所述步骤S3中的预处理包括对所述步骤S2中的数据进行滤波去噪。
在本发明的一些实施例中，所述步骤S3中原始幅值A0i的计算公式为：
其中，α为海水超声衰减系数，Li为所述超声换能器与所述微光纤准直器之间的距离。
在本发明的一些实施例中，所述步骤S4中采用下列公式进行归一化处理得到归一化数据
：
其中，
为所述原始幅值A0i的最大值。
在本发明的一些实施例中，所述步骤S4中还包括对所述归一化数据进行换算得到所述初始图像；换算公式为：
在本发明的一些实施例中，当所述超声换能器的数量为多个时，所述步骤S4还包括以下步骤：
所述数据处理模块将每个超声换能器对应的初始图像叠加后即可获得检测结果。
本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：
本发明通过设计有透明表面的密封罩，并在其上集成光纤和准直器，将激光照射在透明表面外污损，并利用数据处理模块对其激发的光声信号进行处理判断透明表面的污损程度；采用纳秒级的光脉冲，短时间内的光能量较高，超声换能器能够轻易探测到光声信号，提高检测的准确性；同时在透明表面上集成阵列式准直器和光纤，激光依序遍历光纤，使得经超声换能器和数据处理模块得到的成像能够准确定位污损的位置，为污损的清除提供可靠依据。
另外，数据处理模块根据提取的光声信号幅值反演出污损激发出光声信号时的初始幅值，进而得到精确的污损程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为实施例中所示出的一种污损检测装置的结构示意图。
图2为实施例中所示出的密封罩与光声激发模块的结构示意图。
图3为实施例中所示出的所述微光纤准直器与透明表面的安装示意图。
附图标记：100-密封罩；110-透明表面；120-虚拟网格；200-光声激发模块；210-激光器；220-光纤束；230-光开关；240-微光纤准直器；300-光声采集模块；310-超声换能器；320-信号放大器；330-数据采集卡；400-数据处理模块。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例1
参照图1和图2所示，一种基于光声成像的污损检测装置，包括：
密封罩100，其设有至少一透明表面110；
该密封罩100可以根据水下仪器的外形进行加工成光声密封罩，其内形成密封腔体，用于放置水下仪器，防止水下仪器与海水接触，实现对仪器的密封，便于激光传导；附着在透明表面110的污损即可代表附着在水下仪器表面的污损；针对该透明表面110，可以采用有机玻璃为主材制成。
光声激发模块200，其包括激光器210、光纤束220和多个微光纤准直器240，所述光纤束220的一端通过光开关230与所述激光器210连接，其另一端分别与多个所述微光纤准直器240连接；所述微光纤准直器240集成于所述透明表面110内用于向所述透明表面110外照射激光以产生光声信号。
具体地，激光器210安装在水面以上部位即可，其所发射的激光通过一光纤与光开关230连接，即导入到光开关230中，光开关230可设置在水下，光开关230控制激光进入光纤束220的顺序，从而确定了微光纤准直器240出射激光的顺序。
光声采集模块300，其沿所述光声信号的传播方向设置，用于收集所述光声信号；
数据处理模块400，其与所述光声采集模块300通信连接，并根据收集的所述光声信号计算所述透明表面110外的污损程度。
在本发明的一些实施例中，对于透明表面110，参照图3所示，数据处理模块400可以将所述透明表面110划分为多个虚拟网格120，多个所述微光纤准直器240分别位于各个所述虚拟网格120中，具体地，所述微光纤准直器240位于虚拟网格120的正中心的位置，所述微光纤准直器240在所述透明表面110上呈阵列式分布。
在本发明的一些实施例中，密封罩100上可以设置多个透明表面110，每个透明表面110上均集成有微光纤准直器240，在每个透明表面110上微光纤准直器240的出射方向上设置光声采集模块300，从而可以采集并计算得到各个透明表面110上的污损程度。
在本发明的一些实施例中，对于光声激发模块200，所述激光器210发出的激光为脉冲激光，脉冲宽度为ns级（通常8-10ns即可）；具体地，所述脉冲激光的波长由污损物质光吸收系数最强的波段决定，目前较为通用的为波长532nm、波长808nm和波长1064nm的激光，也可以根据污损类型自行选择激光波长。
所述光开关230用于控制激光遍历所述光纤束220；进入顺序可以按照需求确定，例如直线型、S型、螺旋型等。经微光纤准直器240出射的激光照射在透明表面110上的污损上时，该污损物质产生光声效应，可以激发光声信号。
在本发明的一些实施例中，对于光声采集模块300，所述光声采集模块300包括依次通信连接的超声换能器310、信号放大器320和数据采集卡330；所述超声换能器310设置在所述光声信号的传播方向上，用于接收所述光声信号；所述信号放大器320用于将所述超声换能器310采集的光声信号放大后发送到所述数据采集卡330中，所述数据采集卡330用于将放大后的光声信号传递至所述数据处理模块400。
在本发明的一些实施例中，对于数据处理模块400，其接收到数据采集卡330发送的光声信号后，经计算即可得到当前透明表面110的污损程度。
在本发明的一些实施例中，所述污损检测装置的检测方法包括以下步骤：
S1、所述激光器210发射脉冲激光，经光纤束220进入微光纤准直器240，由所述微光纤准直器240向所述透明表面外照射以产生光声信号；
S2、所述超声换能器310采集到所述步骤S1中的光声信号后，即依次接收到各个虚拟网格120对应的光声信号，通过信号放大器320进入数据采集卡330，所述数据采集卡330将数据输入所述数据处理模块400；
S3、所述数据处理模块400对所述数据进行预处理后得到每个虚拟网格对应的光声信号的幅值Ai，然后计算光声信号的原始幅值A0i；
具体地，数据处理模块400对于所述步骤S2中的数据进行滤波去噪，即根据所述激光器发出的激光信号与所述超声换能器采集到的光声信号进行互相关运算，得到光声信号的幅值Ai；
将所述光声信号的幅值A，根据每个微光纤准直器240与超声换能器310之间的距离Li以及在当时温度下海水超声衰减系数α，反演各个微光纤准直器240所在透明表面110处的污损激发的光声信号的原始幅值A0i，
所述原始幅值A0i的计算公式为：
其中，取原始幅值A0i的最大值为
；
在该检测装置设计过程中，每个微光纤准直器240与超声换能器310之间的距离Li已经确定。
S4、所述数据处理模块根据所述步骤S3中的原始幅值A0i对各个成像网格的亮度值赋值后进行归一化，得到初始图像，即为检测结果。
具体地，各个成像网格的亮度值是与其对应的幅值Ai成正比的，即可使用原始幅值A0i表征亮度值，然后数据处理模块400采用下列公式进行归一化处理得到归一化数据
：
其中，
为所述原始幅值A0的最大值。
至此，由归一化数据
形成的初始图像即可显示检测结果，具体地，光声信号越强，即初始图像越亮，则对应网格处的污损程度越严重。
实施例2
在该实施例中，为了获取与表达习惯和正常感官一直的图片，所述步骤S4中还包括对所述归一化数据
进行换算得到所述初始图像；换算公式为：
由归一化数据
形成的初始图像即可显示检测结果，具体地，光声信号越强，即初始图像越暗，则对应网格处的污损程度越严重。
实施例3
在实施例中，当所述超声换能器310的数量为多个时，每个虚拟网格120处的污损所激发的光声信号，多个超声换能器310均可接收到；即若超声换能器310的数量为N个，则数据处理模块400可以计算得到N个初始图像，所述步骤S4还包括以下步骤：
所述数据处理模块将每个超声换能器对应的初始图像叠加后，即将N个初始图像叠加后可获得检测结果。
另外，在该实施例中，因为光声信号强的点在各个初始图像中位置相同，所以最亮点向上取整（或采取四舍五入），所得到的数应该为参与超声换能器310的个数。采用这种方法，可以检测超声换能器310是否有不工作的情况；一种情况是超声换能器310完全坏掉，无法采集光声信号，那么数据采集卡330中的数据为空。另外一种是超声换能器310出现故障，得到的是无意义的信号序列，可当作为白噪声，数据处理模块400进行归一化处理后大多数点都会趋向于1，然后经过换算之后，会趋向于零。
本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：
本发明通过设计有透明表面110的密封罩100，并在其上集成光纤和准直器，将激光照射在透明表面110外污损，并利用数据处理模块400对其激发的光声信号进行处理判断透明表面110的污损程度；采用纳秒级的光脉冲，短时间内的光能量较高，超声换能器310能够轻易探测到光声信号，提高检测的准确性；同时在透明表面110上集成阵列式准直器和光纤，激光依序遍历光纤，使得经超声换能器310和数据处理模块400得到的成像能够准确定位污损的位置，为污损的清除提供可靠依据。另外，数据处理模块400根据提取的光声信号幅值反演出污损激发出光声信号时的初始幅值，进而得到精确的污损程度。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于光声成像的污损检测装置，其特征在于，包括：
密封罩，其设有至少一透明表面；
光声激发模块，其包括激光器、光纤束和多个微光纤准直器，所述光纤束的一端通过光开关与所述激光器连接，其另一端分别与多个所述微光纤准直器连接；所述微光纤准直器集成于所述透明表面内用于向所述透明表面外照射激光以产生光声信号；
光声采集模块，其沿所述光声信号的传播方向设置，用于收集所述光声信号；
数据处理模块，其与所述光声采集模块通信连接，并根据收集的所述光声信号计算所述透明表面外的污损程度。
2.根据权利要求1所述的一种基于光声成像的污损检测装置，其特征在于，所述微光纤准直器在所述透明表面上呈阵列式分布；所述光开关用于控制激光遍历所述光纤束；所述激光器发出的激光为脉冲激光。
3.根据权利要求1所述的一种基于光声成像的污损检测装置，其特征在于，所述光声采集模块包括依次通信连接的超声换能器、信号放大器和数据采集卡；所述超声换能器设置在所述光声信号的传播方向上，用于接收所述光声信号；所述信号放大器用于将所述超声换能器采集的光声信号放大后发送到所述数据采集卡中，所述数据采集卡用于将放大后的光声信号传递至所述数据处理模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于光声成像的污损检测装置，其特征在于，所述数据处理模块用于将所述透明表面划分为多个虚拟网格，多个所述微光纤准直器分别位于各个所述虚拟网格中。
5.根据权利要求3所述的一种污损检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、所述激光器发射脉冲激光，经光纤束进入微光纤准直器，由所述微光纤准直器向所述透明表面外照射以产生光声信号；
S2、所述超声换能器采集到所述步骤S1中的光声信号后，通过信号放大器进入数据采集卡，所述数据采集卡将数据输入所述数据处理模块；
S3、所述数据处理模块对所述数据进行预处理后得到光声信号的幅值Ai，然后计算光声信号的原始幅值A0i；
S4、所述数据处理模块根据所述步骤S3中的原始幅值A0i对各个成像网格的亮度值赋值后进行归一化，得到初始图像，即为检测结果。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述步骤S3中的预处理包括对所述步骤S2中的数据进行滤波去噪。
7.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述步骤S3中原始幅值A0i的计算公式为：
其中，α为海水超声衰减系数，Li为所述超声换能器与所述微光纤准直器之间的距离。
8.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述步骤S4中采用下列公式进行归一
化处理得到归一化数据
：
其中，
为所述原始幅值A0i的最大值。
9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述步骤S4中还包括对所述归一化数据进行换算得到所述初始图像；换算公式为：
10.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，当所述超声换能器的数量为多个时，所述步骤S4还包括以下步骤：
所述数据处理模块将每个超声换能器对应的初始图像叠加后即可获得检测结果。
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