測量懸浮顆粒沉速的雙數字全息成像裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明海洋觀測技術領域，尤其涉及一種懸浮顆粒沉速測量的雙數字全息裝置。
【背景技術】
[0002]沉速是指水體中顆粒下降過程中達到穩定沉降時的速度，研究海洋中的懸浮顆粒具有重大應用和科學意義。譬如懸浮泥沙的沉速可加深了解下泥沙在動力要素影響下的搬運過程、海底地貌演變機理、工程中的海底管線的泥沙掏空造成的災害;定量觀測海水中的懸浮有機顆粒的沉速是研究人類活動對全球碳循環的作用、海洋生物栗的機制以及生物地球化學循環等一些重大科學問題的核心因子。
[0003]傳統的方法采用多層重復取水樣具有較大的缺陷，具體表現為:(I)由于只能采取幾個深度層面的水樣，無法獲取垂線顆粒剖面變化信息及變化拐點，導致懸浮顆粒的沉速分析誤差較大；(2)測量過程中取樣及測量的工作量較大并且過程較為繁瑣(取得的水樣需要過濾、紅蓋來測量濃度)；(3)多層采樣過程中難以保證取樣的同步性，并且采樣過程中會干擾水體動力環境，產生較大的誤差。
[0004]聲波具有在水下的傳播損耗小，適于水下大空間尺度的觀測。水下聲吶通過接收懸浮顆粒動物的反向散射強度信號并在聲納回波圖上對不同頻率的反向散射強度進行識別以獲取懸浮顆粒的數量分布信息。近幾十年來先后發展了基于單頻、多頻以及寬帶反向散射的浮游動探測方法。但是回波是個復雜的物理量，至今尚無法徹底了解其真實的物理模型，而近似模型和經驗模型與實際應用存在較大的誤差;其次，水下懸浮顆粒具有多樣性的特點，譬如含有豐富的多類浮游生物，容易造成基于回波強度識別的探測失敗或識別錯誤。因此，基于聲學的浮游生物探測技術適于在實驗室內對特定的懸浮顆粒進行探測，在實際應用中有待于聲學反向散射強度模型進行更深入的探討，在精度、分辨率等方面需進一
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[0005]激光粒度儀及濁度計可以獲取顆粒的粒徑譜或濃度信息，但是激光粒度儀適于較大顆粒的檢測，對于粒徑小于10um的粒徑難以獲取準確的結果。光學濁度計用于測量懸浮泥沙濃度，但是無法細分懸浮顆粒的粒徑分布。并且激光粒度儀和光學濁度計都無法給出懸浮顆粒的形狀信息，也無法對懸浮泥沙及懸浮浮游生物及海雪等不同類型的顆粒進行識別。
[0006]水下光學成像方法能提供聲學方法所無法獲得的高辨率，可以記錄細微空間尺度(厘米級)上浮游顆粒分布信息，提供局部尺度上浮游生物分布的近乎連續圖像，同時結合數字圖像分析方法可以快速、自動對水體中懸浮顆粒、海雪及浮游生物進行區分，具有其他探測方法所不可比擬的優勢。但是基于光學成像的懸浮顆粒檢測方法:即所采用的成像方式是把浮游生物表面反射或散射的光通過光學系統投影在成像器件CCD(Charge CoupledDevice)上，只記錄了光強度變化，所呈現的只是對真實空間場景從某已特定角度仿射投影的兩維(2D)圖像顯示，因此所采集的圖像不可避免的存在浮游生物與浮游生物、浮游生物與懸浮顆粒的相互重疊現象，帶來浮游生物目標無法識別的問題;其次兩維圖像無法提供懸浮顆粒在三維空間的方向變化及空間運動軌跡等信息。
[0007]近年來光學全息技術在水下觀測中取得了較大進展，在光學全息立體成像過程中，三維信息是通過對光的波前干涉形式記錄下來的，觀察者不需要佩戴特殊的眼鏡即可高度清晰地看到再現的三維場景。由于空間干涉圖樣信息可以用來進行全息圖像的再現，因此全息再現可以對任何深度的物體進行再聚焦(可達100倍)，可以區分不同觀測平面(對圖像的觀測平面進行移動，使之對單個懸浮顆粒進行聚焦觀測)，而普通兩維圖像只是一次性聚焦；同時，全息圖像顯示的是懸浮顆粒三維立體圖像，直接給出符合人眼視差效應的透視信息，并且在大景深內具有較高的圖像分辨率和較寬的動態記錄范圍；其次，全息圖像在一次性成像記錄中可以記錄大空間觀測范圍信息(幾千至百萬立方厘米)，使得測量浮游生物的尺寸大小以及相關位置、空間分布狀態以及運動速度等生態觀測研究的開展成為可能，為揭示水下懸浮顆粒、浮游生物等動態過程提供了新的非接觸式觀測手段。
[0008]傳統的同軸激光全息成像裝置，采用單個相機對某一觀測區域進行全息成像，每個成像系統采用一個激光器作為干涉光源。單個同軸激光全息成像裝置的成像范圍有限，一般是成像器件的尺寸，譬如I英寸的成像靶面成像范圍為12.7mmX9.6mm。通常在懸浮顆粒沉速測量中，需要測量垂直方向上懸浮顆粒沉降的距離和時間，進而計算沉速，因此需要至少兩臺以上的全息成像裝置對不同層高度面的懸浮顆粒進行測量。采用兩臺激光全息成像裝置，需要兩臺激光器，將消耗較大的電源功率，給基于電池供電的水下儀器帶來需攜帶大量電池，導致體積大、投入成本高的問題。
【發明內容】
[0009]為解決現有技術中存在的問題，本發明采用提供一種懸浮顆粒沉速測量的雙數字全息成像裝置，其通過三角棱鏡和反射鏡構成了單光源，實現雙光路成像的懸浮顆粒全息成像，該全息成像裝置有效的利用一個激光干涉光源，提供相同質量的干涉光，利用兩臺以太網相機在一定距離間隔的位置進行懸浮顆粒沉速、形狀以及空間軌跡的監測，實現對垂線方向上不同高度的區域進行同時成像，利用目前成熟的圖像匹配處理商品化軟件，可以獲取不同高度層面的懸浮顆粒變化狀態，為現場連續測量垂線方向懸浮顆粒以及浮游生物或絮凝物的沉速提供一種新的無干擾觀測方式，拓展了應用范圍。不但可以用于懸浮顆粒形狀對與沉速的關系的觀測，而且還可以用于懸浮顆粒在沉降過程與絮凝物聚合的過程、湍流對懸浮顆粒空間運動軌跡影響的分析。
[0010]基于此，本發明提供一種單激光器懸浮顆粒沉速測量的雙數字全息成像裝置，其包括一個激光器、一個準直擴束透鏡、一個三角棱鏡、兩個反射鏡和兩臺相機，激光器通過一個準直擴束透鏡轉換為一束平行光，三角棱鏡和兩個反射鏡將來自準直擴束透鏡的光束分離成兩路一定距離間隔的干涉光，干涉光經過觀測水體到達兩臺相機成像，從而同步記錄兩組全息圖像。
[0011 ]所述數字全息裝置還包括濾波器，該濾波器具體由顯微物鏡和針孔組成，通過該濾波器形成一個點光源干涉球面波。
[0012]所述三角棱鏡鍍有反射膜，將平行光變為兩束光路，一路改變光的傳播方向，旋轉90度角向上傳播;另一路將光的傳播方向旋轉-90度向下傳播。
[0013]經過三角棱鏡的兩束光分別經過兩個反射鏡再次改變傳播方向，成為兩束水平傳播的光束，兩束光束經過觀測空間到達兩臺相機進行成像，每個反射鏡與水平位置的夾角為45度。
[0014]兩臺相機高度上相隔一定的距離。
[0015]所述數字全息裝置還包括以太網線、以太網交換機和嵌入式圖像采集器，所述兩臺相機為以千兆太網接口相機，通過以太網線與以太網交換機連接，利用千兆以太網的多度同步采集功能，采用嵌入式圖像采集器即可同時記錄兩臺相機的圖像。
[0016]所述激光器具體為相干激光器光源。
[0017]所述激光器、顯微物鏡，針孔，準直透鏡，三角棱鏡和兩個反射鏡安置在一個T形的水密艙內。
[0018]經過兩個反射鏡的兩條平行光束通過水密艙的光學水密窗口傳遞到相機。
[0019]所述兩個相機也分別安裝在一個水密艙中。
[0020]所述以太網交換器、嵌入式圖像采集器也安裝在一個圖像采集水密艙中，該圖像采集水密艙還裝有電池，為激光器，相機以及圖像采集器提供電能。
[0021]本發明的有益效果:
[0022]本發明提供的單干涉光懸浮顆粒沉速測量的雙數字全息成像裝置，通過三角棱鏡和反射鏡構成了單光源，雙干涉光路成像的懸浮顆粒全息成像裝置。該全息裝置有效的利用一個激光干涉光源，提供同樣質量的干涉光，利用兩臺以太網相機實現一定距離間隔的懸浮顆粒沉速、形狀以及空間軌跡的監測，可以對垂線方向上不同高度的區域進行同時成像，利用目前成熟的圖像匹配處理方法，可以獲取不同高度層面的懸浮顆粒變化狀態，為現場連續測量垂線方向懸浮顆粒以及浮游生物或絮凝物的沉速提供一種新的無干擾觀測方式，提高了應用范圍。采用了以太網接口的數字相機，省卻了需要匹配專用圖像采集卡的需求，降低了成像裝置的成本。
【附圖說明】
[0023]圖1-單激光器懸浮顆