一種實現(xiàn)浮游動物信息獲取的光立體采樣原位探測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)浮游動物信息獲取的光立體采樣原位探測方法，其包括：脈沖激光器發(fā)出激光脈沖，經(jīng)光立體采樣區(qū)中的浮游動物反射返回目標回波信號；當目標回波信號到達選通成像器件時，選通成像器件選通門開啟，接收目標回波信號，并對所述光立體采樣區(qū)中的浮游動物進行原位探測成像，并輸出采樣得到的水下二維強度圖像；根據(jù)所述水下二維強度圖像獲得光立體采樣區(qū)內(nèi)的浮游動物行為信息、數(shù)量信息、尺寸信息，并結合光立體采樣區(qū)的體積獲得浮游動物的豐度信息。該方法有效的解決了現(xiàn)有原位探測成像方法不能實現(xiàn)真正的非侵入無干擾原位探測，且采樣區(qū)不確定的問題，形成可以量化的立體光立體采樣區(qū)，實現(xiàn)了浮游動物無干擾立體數(shù)據(jù)的獲取。
【專利說明】一種實現(xiàn)浮游動物信息獲取的光立體采樣原位探測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及探測成像【技術領域】，尤其涉及一種實現(xiàn)浮游動物信息獲取的的光立體采樣原位探測方法。
【背景技術】
[0002]浮游動物的種類、豐度及分布對浮游動物生態(tài)學及其相關海洋生態(tài)效應的研究至關重要，特別是近年來持續(xù)爆發(fā)的水母災害，已經(jīng)嚴重的影響了海洋生態(tài)環(huán)境，成為需要研究解決的世界難題。而目前人類在這方面的知識相當匱乏，幾乎所有的研究仍處于文獻積累和科學假設階段。浮游動物的數(shù)據(jù)的快速獲取成為制約這一研究開展的瓶徑。
[0003]傳統(tǒng)的獲取浮游動物數(shù)據(jù)的方法主要依靠網(wǎng)具，周期長，誤差大。而原位探測由于可以實現(xiàn)無干擾數(shù)據(jù)的快速獲取，因此，2000年以后成為浮游動物探測領域發(fā)展的新方向。目前只有美國、法國等少數(shù)幾個國家開展了這一研究。現(xiàn)有的原位探測成像方法主要采用光源和(XD分立的對射式結構。這種結構是一種侵入式的結構，由于光源和(XD包圍米樣水體，使得對浮游動物探測時會引入湍流等擾動，不能做到真正的非侵入無干擾探測；更重要的是由于光源和CCD分立的對射式結構受限于系統(tǒng)外形尺寸的限制，光源距采樣水體的工作距離往往很小。再加上大功率的照明光源在水下環(huán)境中強烈的散射作用，使得現(xiàn)有的原位探測方法不僅不能獲取準確的浮游動物行為信息，而且成像對比度較差，影響基于低對比度圖像的浮游動物信息提取。
[0004]此外，在浮游動物原位探測成像系統(tǒng)中，每秒鐘的采樣體積是衡量系統(tǒng)性能的一個重要指標。采樣體積越大，采樣效率越高，可節(jié)省更多的人力和物力；其次采樣體積大的浮游動物原位探測成像系統(tǒng)不僅能夠對高豐度、小體積的浮游動植物進行信息采集，還能夠對低豐度、大體積的浮游動植物的數(shù)量、豐度、分布以及行為等信息進行觀察分析。另外，采樣體積獲取的越準確，對浮游動物豐度信息的獲取就越準確。
[0005]然而，相比于傳統(tǒng)的網(wǎng)采法，現(xiàn)有的浮游動物原位探測成像方法每秒鐘采樣體積較小。1992年美國伍茲霍爾海洋研究所研制的世界上第一臺真正意義上的浮游動物原位探測系統(tǒng)VPR(vedio plankton recorder)系統(tǒng),其米樣體積僅為2L/s ;而邁阿密大學研制的ISIIS(In situ ichthyoplankton imaging system)系統(tǒng)，是近年來報道的采樣體積最大的浮游動植物原位探測成像系統(tǒng)，其采樣體積也僅為70L/S。這樣小的采樣體積使得現(xiàn)有的浮游動物原位探測方法大部分致力于um?mm量級的小型浮游動物的探測。而大采樣體積的、用于mm?cm量級中大型浮游動物探測的原位探測方法也正越來越多地引起研究者的關注。
[0006]另外，現(xiàn)有國外的浮游動物原位探測成像方法沒有確定的采樣區(qū)，采樣體積的確定都是在最優(yōu)的參數(shù)下，在實驗室標定獲取的。如果改變了某個系統(tǒng)參數(shù)，則必須重新進行標定。由于探測目標位um?mm量級的浮游動物，對標定設備精度要求高，且標定過程復雜，結果比較依靠主觀判斷。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于此，本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)浮游動物信息獲取的光立體采樣原位探測方法，該方法利用并列放置的脈沖激光器和選通成像器件對前方光立體采樣區(qū)內(nèi)的浮游動物進行原位探測成像，其實現(xiàn)步驟包括:
[0008]步驟1、脈沖激光器發(fā)出激光脈沖，所述激光脈沖經(jīng)光立體采樣區(qū)中的浮游動物反射后返回目標回波信號；
[0009]步驟2、當目標回波信號到達選通成像器件時，選通成像器件選通門開啟，接收目標回波信號，并對所述光立體采樣區(qū)中的浮游動物進行原位探測成像，并輸出采樣得到的水下二維強度圖像。其他時間選通門關閉；
[0010]步驟3、根據(jù)所述水下二維強度圖像獲得光立體采樣區(qū)內(nèi)的浮游動物行為信息、數(shù)量信息、尺寸信息，并結合光立體采樣區(qū)的體積獲得浮游動物的豐度信息。
[0011]其中，光立體采樣區(qū)是通過同步時序控制模塊控制激光脈沖與選通門之間的延時而在自然水體建立的。
[0012]光立體采樣區(qū)的起始位置和結束位置如下計算:
【權利要求】
1.一種實現(xiàn)浮游動物信息獲取的光立體采樣原位探測方法，該方法利用并列放置的脈沖激光器和選通成像器件對前方光立體采樣區(qū)內(nèi)的浮游動物進行原位探測成像，其包括: 步驟1、脈沖激光器發(fā)出激光脈沖，所述激光脈沖經(jīng)光立體采樣區(qū)中的浮游動物反射后返回目標回波信號； 步驟2、當目標回波信號到達選通成像器件時，選通成像器件選通門開啟，接收目標回波信號，并對所述光立體采樣區(qū)中的浮游動物進行原位探測成像，并輸出采樣得到的水下二維強度圖像； 步驟3、根據(jù)所述水下二維強度圖像獲得光立體采樣區(qū)內(nèi)的浮游動物行為信息、數(shù)量信息、尺寸信息，并結合光立體采樣區(qū)的體積獲得浮游動物的豐度信息。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述采樣區(qū)為通過控制激光脈沖和選通脈沖間的延時在自然水體內(nèi)建立的梯形光立體采樣區(qū)。
3.如權利要求2所述的方法，其中，所述激光脈沖和選通脈沖間的延時是通過同步時序控制模塊進行控制的。
4.如權利要求1-3任一項所述的方法，其中，所述光立體采樣區(qū)的位置以及體積由成像器件的焦距、激光脈寬、選通門寬以及激光脈沖與選通脈沖之間的延時確定。
5.如權利要求4所述的方法，其中，所述光立體采樣區(qū)的起始位置和結束位置如下計算:
rbegin = ( τ -tL)c 水/2
rend = ( τ +tg)c*/2 其中，c#為激光脈沖在水中的傳輸速度，τ為激光脈沖與選通脈沖之間的延時，\為激光脈寬，tg為選通門寬，rbegin為光立體采樣區(qū)離成像器件的起始距離，rend為光立體采樣區(qū)離成像器件的結束距離。
6.如權利要求5所述的方法，其中，所述光立體采樣區(qū)的形狀由成像器件的光學接收鏡頭決定，所述光立體采樣區(qū)間起始位置rbegin處，水平視場為
7.如權利要求5所述的方法，其中所述光立體采樣區(qū)的體積大小為:
8.如權利要求1所述的方法，其中，所述浮游動物數(shù)量、尺寸、行為信息是通過對采樣獲得的所述水下二維強度圖像進行預處理和目標提取處理，并分別統(tǒng)計提取后目標的數(shù)量、目標所占像素數(shù)以及觀察目標行為而得到的。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述浮游動物豐度信息為: 其中，A為浮游動物豐度，N為光立體釆樣區(qū)內(nèi)的浮游動物數(shù)量，V為光立體釆樣區(qū)體積。
【文檔編號】G01S17/88GK103901438SQ201410156439
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權日:2014年4月18日
【發(fā)明者】劉曉泉, 王新偉, 周燕 申請人:中國科學院半導體研究所