本發(fā)明涉及一種感知水體散射物質(zhì)含量變化的裝置，屬于水體散射物質(zhì)檢測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

水體散射物質(zhì)含量變化是海洋環(huán)境觀測的重要指標之一，散射物質(zhì)的增加預(yù)示著海洋環(huán)境中渾濁物質(zhì)含量的增加，對散射物質(zhì)含量變化的觀測在漁業(yè)和國家海洋安全中有重要作用。水產(chǎn)漁業(yè)的相關(guān)報道證實，水體渾濁度的增加表明水體腐化物質(zhì)和微生物含量的增加，水體含氧量下降，對養(yǎng)殖水產(chǎn)生物有較大的影響。在海洋安全方面，有大量文獻證實潛艇等人造水下航行物游過的深海水域會存在較多的微小懸浮氣泡，對氣泡的測量成為水下航行物跟蹤監(jiān)測的重要技術(shù)手段。

目前，針對海水散射物質(zhì)的測量以光學(xué)方法為主，例如丘仲鋒等研究人員于2015年申請公開的一種監(jiān)測高渾濁海水濁度的衛(wèi)星遙感方法(公開號：105004846A)，該方法使用衛(wèi)星對海洋進行光學(xué)遙感觀測，但該方法僅適用于高渾濁度海水，對低渾濁度海水的測量靈敏度較低，且只能對大范圍海域進行整體觀測。歐陽敏等研究人員于2007年公開了一種用脈沖激光實時測量海水渾濁度的方法(公開號：101266210)，但該方法所使用的裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所采用的透射式結(jié)構(gòu)要求測量裝置所用元件分布在水池兩側(cè)，且要求所用激光器為窄線寬高能脈沖YAG激光器，該方法的所用激光器價格昂貴。劉西站等研究人員于2014年公開了一種尾流氣泡探測光學(xué)系統(tǒng)(公開號：103901598A)，該系統(tǒng)使用片光源、透鏡組實現(xiàn)對10微米至500微米的氣泡的分段拍攝，滿足了對海水環(huán)境中氣泡群探測的需求，但復(fù)雜的透鏡組提高了裝置穩(wěn)定性設(shè)計的難度，且片光源激光器的成本較高。

綜合上述發(fā)明進展，目前針對水體散射物質(zhì)的光學(xué)測量已有較為成熟的測量技術(shù)，但諸多技術(shù)的裝置復(fù)雜程度高，對激光器、透鏡組等原件有特殊要求，裝備成本高。而針對水體環(huán)境中的測量，要求裝置結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，以適應(yīng)各種海況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的水體散射物質(zhì)含量檢測技術(shù)中成本高，裝置復(fù)雜，對低渾濁度的水體檢測精度低的缺點，而提出一種感知水體散射物質(zhì)含量變化的裝置。

感知水體散射物質(zhì)含量變化的裝置，包括由透光防水窗口與防水封裝組成的防水殼體，所述透光防水窗口設(shè)置在所述防水殼體的一側(cè)，所述殼體內(nèi)部設(shè)置有連續(xù)性激光器以及CCD傳感器，所述透光防水窗口用于使所述連續(xù)性激光器發(fā)射的光束射入水中，還用于使所述光束經(jīng)過水中的散射物質(zhì)散射后的光射入所述殼體并由所述CCD傳感器接收。

本發(fā)明的有益效果為：1、使用連續(xù)型激光器、CCD傳感器，不同于現(xiàn)有技術(shù)中使用透鏡、片源激光器的高成本、復(fù)雜裝置結(jié)構(gòu)，本發(fā)明成本更低，裝置的結(jié)構(gòu)更簡單；2、本發(fā)明在水下進行觀測、拍攝，不同于現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)遙感觀測，本發(fā)明對低渾濁度的靈敏度更高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的感知水體散射物質(zhì)含量變化的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的CCD傳感器接收到的圖像；

圖3為CCD傳感器接收到的圖像對應(yīng)的二維熵圖；

圖4為水體散射物質(zhì)增加后CCD傳感器接收到的圖像對應(yīng)的二維熵圖；

圖5為二維熵圖形成過程的流程圖。

具體實施方式

具體實施方式一：本實施方式的感知水體散射物質(zhì)含量變化的裝置，如圖1所示，包括由透光防水窗口3與防水封裝4組成的防水殼體，透光防水窗口3設(shè)置在防水殼體的一側(cè)，殼體內(nèi)部設(shè)置有連續(xù)性激光器1以及CCD傳感器2，透光防水窗口3用于使連續(xù)性激光器1發(fā)射的光束5射入水中，還用于使光束5經(jīng)過水中的散射物質(zhì)散射后的光射入殼體并由CCD傳感器2接收。

其中，CCD傳感器2、激光器1和透光防水封裝窗口3的相對位置可以變化，且透光防水封裝窗口的數(shù)量也可以變化，只要保證激光器1發(fā)出的光束5能夠照射到水中，并且CCD傳感器2能夠接收到光束5通過水體中物質(zhì)散射后的光信號即可。

CCD傳感器2和激光器1還連接有供電電源(圖1中未示出)，其中供電電源可以集成在裝置的內(nèi)部，也可以連接外部作為外部供電電源。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：

CCD傳感器的分辨率為a×b，所述CCD傳感器顯示圖像的像素點索引為(i,j)，顯示圖像上各像素點的像素值為p(i,j)，與(i,j)相鄰的像素點的平均像素值取整后的值為q(i,j)，定義M為256×256的矩陣，矩陣M中個元素取值M(I,J)為p+1＝I且q+1＝J的像素點的個數(shù)，I、J分別為像素點的水平索引和垂直索引，CCD傳感器與處理器連接，所述處理器包括圖像轉(zhuǎn)換單元，圖像轉(zhuǎn)換單元用于通過所述顯示圖像得到二維熵圖，二維熵圖具有用于表征散射物質(zhì)含量的亮斑，亮斑的移動和/或擴散程度能夠表征散射物質(zhì)的含量。

其中CCD傳感器接收到的圖像如圖2所示，CCD傳感器接收到的圖像對應(yīng)的二維熵圖如圖3所示。

下面簡要說明CCD傳感器的分辨率與矩陣M的關(guān)系：

256×256表示矩陣M的大小(即256行256列)，而a×b表示的是CCD圖像分辨率的大小。

通常彩色CCD獲取到的圖像數(shù)據(jù)為RGB類型，即分別表示紅色、綠色、藍色的亮度的三個矩陣。三個矩陣的大小均為a×b(即行b列)，矩陣中的元素表示了圖像上該元素所在位置的對應(yīng)顏色的亮度。而黑白CCD得到的圖像數(shù)據(jù)為單個矩陣，該矩陣的大小為a×b。矩陣中的元素表示了圖像上該元素所在位置的灰度。

本發(fā)明中一般采用黑白CCD，即只需獲得黑白圖像(灰度圖像)即可。如使用彩色CCD，可將三個矩陣求平均，即可轉(zhuǎn)化為灰度圖。

圖像中的像素值數(shù)據(jù)類型為uint8或double，本發(fā)明中的圖像數(shù)據(jù)類型為uint8型的矩陣。該數(shù)據(jù)類型的圖像像素值為0到255的整數(shù)，即256級。如果圖像像素值數(shù)據(jù)為double類型，則其取值為0到1?？赏ㄟ^將0到1線性投影到0-255上，并取整得到uint8格式的圖像數(shù)據(jù)。

矩陣M為對圖像像素值統(tǒng)計得到的新矩陣，不同于原本的圖像矩陣。M分辨率為256×256是因為圖像像素值為256級。M的分辨率不受圖像分辨率的限制。

還需要說明的是，“移動”是指二維熵圖像亮斑中心的移動，因此移動是兩個值X和Y，分別表示縱向索引和橫向索引上的移動。

移動和擴散程度會同時變化，但由于意義不同，變化趨勢也各不相同。在一些情況下，移動參數(shù)和擴散程度參數(shù)僅有一方改變。擴散程度可以通過亮斑的擴散面積與二維熵圖的總面積的比值來確定，比值越大，則表示擴散程度越明顯，比值越小，則表示擴散程度不明顯。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：

二維熵圖的各個像素點的像素值為K(I,J)；

感知水體散射物質(zhì)含量變化的處理器還包括計算單元，所述計算單元用于執(zhí)行如下計算：

X＝E[I|_K(I,J)>0]

Y＝E[J|_K(I,J)>0]

其中X和Y分別為二維熵亮斑的水平位置參數(shù)以及垂直位置參數(shù)；D為用于表征所述亮斑的擴散程度的參數(shù)；E[I|_K(I,J)>0]表示對所有滿足條件K(I,J)>0的I值求平均值；E[J|_K(I,J)>0]表示對所有滿足K(I,J)>0的J值求平均；表示計算d的取值為從e到f的所有整數(shù)時，相應(yīng)的C值的和。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：

本發(fā)明的處理器還包括判斷單元，判斷單元用于從獲取所述亮斑的移動方向，亮斑向二維熵圖的右下側(cè)移動的程度越多，則散射物質(zhì)的含量越多。

這一過程可以如圖3和圖4所示，圖4為水體散射物質(zhì)增加后CCD傳感器接收到的圖像對應(yīng)的二維熵圖。

將圖3和圖4的對比可以判斷出，亮斑向二維熵圖的右下側(cè)移動的程度越多，則散射物質(zhì)的含量越多。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至三之一相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是：

判斷單元還用于獲取所述亮斑的擴散程度，所述亮斑的擴散程度越明顯，則所述散射物質(zhì)的含量越多。

同樣通過圖3和圖4的對比可以看出，當(dāng)亮斑擴散越明顯時，散射物質(zhì)的含量越多。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至四之一相同。

具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是：

所述判斷單元還用于根據(jù)所述參數(shù)D判斷所述散射物質(zhì)含量；D的值越大，則散射物質(zhì)含量越多。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至五之一相同。

具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一至六之一不同的是：

判斷單元還用于獲取所述參數(shù)X、Y、D的變化趨勢；所述參數(shù)X和Y的變化趨勢相反；若所述參數(shù)X和/或Y的變化趨勢與所述參數(shù)D的變化趨勢相反，則表明所述連續(xù)性激光器能量不穩(wěn)定或所述CCD傳感器發(fā)生故障。

本實施方式說明了本發(fā)明不僅可以探測水體中的散射物質(zhì)含量，還可以間接檢測出連續(xù)型激光器的能量是否不穩(wěn)定以及CCD傳感器是否發(fā)生故障。因此本發(fā)明還具有一定的自檢功能。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至六之一相同。

具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式一至七之一不同的是：

判斷單元還用于執(zhí)行如下判斷：

若所述參數(shù)X、Y、D同時減小，說明所述散射物質(zhì)增多。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至七之一相同。

具體實施方式九：本實施方式與具體實施方式一至八之一不同的是：

判斷單元還用于執(zhí)行如下判斷：

若所述參數(shù)X、Y、D的變化幅度在預(yù)定的時間內(nèi)均超過了預(yù)定的值，或所述參數(shù)X、Y、D的變化趨勢同步，且為平穩(wěn)的增減變化時，則表明水體中含有超出常規(guī)數(shù)量的障礙物。

即本實施方式的判斷有兩種情況：

第一種是快速大幅度起伏?！按蠓绕鸱笔侵钢笜瞬▌臃瘸^原值50％，“快速”是指10秒以內(nèi)。三個指標X、Y、D快速大幅度起伏且起伏趨勢同步，說明水體中含有大量障礙物，如魚群、被水流卷起的沙石等。

第二種是平穩(wěn)增減，沒有起伏。例如當(dāng)水體存在極少的微米尺度的氣泡時，X和Y將增加25％，D將增加50％。當(dāng)氣泡數(shù)量很多時，X、Y將增加至原值的2.5倍，D將增加至原值的3倍。

通過實驗測量，向純凈水中通入大量氣泡，隨后靜止10分鐘，此時水體中含有極少的肉眼無法分辨的微氣泡。此時X、Y值比原值高出25％，D值比原值高出50％。而現(xiàn)有技術(shù)的裝置無法達到這種精度，并且現(xiàn)有技術(shù)的裝置復(fù)雜度要明顯高于本發(fā)明。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至八之一相同。

具體實施方式十：本實施方式與具體實施方式一至九之一不同的是：

圖像轉(zhuǎn)換單元、計算單元以及判斷單元均集成在可編程邏輯芯片或計算機內(nèi)部。

并且CCD傳感器與可編程邏輯芯片或計算機之間可以使用電纜通訊，也可以使用其他無線通訊裝置進行通訊。

其中，“在預(yù)定的時間內(nèi)超過了預(yù)定的值”可以是在10秒內(nèi)波動幅度超過原值的50％。

本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。