一种水下温度遥感测量方法及系统

技术领域

本发明涉及水下温度遥感领域，尤其涉及一种水下温度遥感测量方法及系统。

背景技术

随着传统资源的过度开采，陆地资源日益枯竭，新资源的发现成为制约人类生存与发展的重要因素，海洋丰富的生物资源、化学资源、动力资源和矿产资源都是陆地资源最好的补充，为了全面而深入地认识海洋，亟需大力发展海洋水文勘察、海洋资源调查、水下激光通信、海洋环境监测、水下目标探测等新的海洋探测技术，尤其以海洋环境监测为目的的海水温度、盐度等海况预报更是海洋监测的根本内容海水温度是海洋学中极为重要的基本物理参量，海水温度监测是认识环境和利用海洋资源的基础，在民用和军事领域都有着至关重要的意义，发展能够快速大面积精确测量次表层海水温度的实用遥感技术一直是海洋技术领域科研人员不断追求的目标，传统的接触式测量海水温度的方法存在覆盖面小，测量速度慢，不能同步测量等缺点，而非接触式星载微波辐射遥感测温技术和红外辐射遥感测温技术虽然可以实现快速大范围测温，但由于其在水中极高的吸收性，只能测量海水表面温度，利用蓝绿激光在海水中的衰减系数较小、可以穿透一定深度的水体这一特性，基于光散射的海水温度遥感监测技术越来越受到人们的重视。

经检索，中国专利号201810755563.X，公开了一种水下温度遥感测量方法及系统，该发明无法通过调整透镜间距改变聚焦深度来实现不同深度水温的测量，需要很长时间的累加才能实现微弱光谱信号的采集。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中，无法通过调整透镜间距改变聚焦深度来实现不同深度水温的测量，需要很长时间的累加才能实现微弱光谱信号的采集的问题，而提出的一种水下温度遥感测量方法及系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种水下温度遥感测量方法，包括如下步骤：

步骤A：由激光器发出的450nm激光经聚焦系统汇聚在海水的监测点,之后海面反射回散射光,散射光包含了入射激光、与入射激光同频率的米散射光、瑞利散射光和入射激光有频移的布里渊散射光，以及与入射激光有频移的拉曼散射光；

步骤B：散射光经卡塞格林望远镜接收，通过480nm滤光片抑制了450nm周围的米散射光、瑞利散射光和布里渊散射光；

步骤C：透射的拉曼散射光进入光栅分光系统的狭缝，经反射镜A1、反射镜A2反射后在闪耀光栅上发生衍射，不同波长的拉曼散射光对应不同衍射角，经反射镜A3和反射镜A4反射后在像增强器入射光敏面上依次排列形成二维连续线状拉曼光谱；

步骤D：通过像增强器增强后的二维拉曼光谱经成像透镜在面阵CCD光敏面上成像，面阵CCD不同列像素对应记录不同波长散射光的光强，将其转化成二维电信号，经模数转换后输入信息处理终端进行数据处理生成光谱图，基于双波段面积比的水温反演方法与频数分布原理的滤波方法得到待测水域的温度；

其中，所述步骤D中经模数转换后输入信息处理终端进行数据处理生成光谱图的数据处理步骤如下：

步骤一：信息处理终端控制面阵CCD连续采集多幅二维光谱图像，依次进行A/D转换输入信息处理终端内；

步骤二：信息处理终端将所获K幅二维光谱图像进行相加运算，信息处理终端将时间累加后获得的二维光谱图像进行空间累加处理；

步骤三：设置空间累加的起始行ML和终止行MH，以及起始列NL和终止列NH，其中1≤ML，MH≤M，1≤NL，NH≤N，MXN为面阵CCD的像素分辨率，读取进行空间累加的二维有效光谱，每列像素值代表相应波长单色光的相对光强，将对应同一波长的一列像素值相加，作为该波长单色光的相对光强，得到的初步光谱记做I(n)，根据I(n)将像素坐标转化为波长坐标，得到光谱。

本发明还提供一种水下温度遥感测量系统，应用如上述方案中的水下温度遥感测量方法，包括：激光器、聚焦系统、卡塞格林望远镜、滤光片、光栅分光系统、像增强器、成像透镜、面阵CCD和信息处理终端。

进一步在于：所述聚焦系统由150nm焦距的正透镜与-100mm焦距的负透镜组成，所述聚焦系统用于调整两个透镜之间的间距改变聚焦深度。

进一步在于：所述卡塞格林望远镜焦距为800mm，视场角3度，口径为105mm。

进一步在于：所述滤光片为480nm滤光片，截止深度为OD6，所述滤光片用于滤除后向的瑞利散射、米散射和布里渊散射光。

进一步在于：所述光栅分光系统包括反射镜A1、反射镜A2、反射镜A3、反射镜A4和闪耀光栅。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

聚焦系统由正透镜与负透镜组成，通过调整两个透镜之间的间距改变聚焦深度，来实现不同深度水温的测量；

面阵CCD连续采集多幅二维光谱图像，信息处理终端将所获多幅二维光谱图像进行相加运算，信息处理终端将时间累加后获得的二维光谱图像进行空间累加处理，设置空间累加的起始行ML和终止行MH，以及起始列NL和终止列NH，其中1≤ML，MH≤M，1≤NL，NH≤N，MXN为面阵CCD的像素分辨率，读取进行空间累加的二维有效光谱，每列像素值代表相应波长单色光的相对光强，将对应同一波长的一列像素值相加，作为该波长单色光的相对光强，得到的初步光谱记做I(n)，根据I(n)将像素坐标转化为波长坐标，得到光谱，将面阵CCD的时间累加方式和空间累加方式相结合，有效提高了拉曼光谱遥感系统的测量速度、灵敏度和信噪比，实现了微弱拉曼光谱信号的快速测量；

通过频数分布原理的滤波方法，提高水下温度遥感系统的抗干扰性，改进海水温度的激光遥感测量精度，进一步提出了基于频数分布原理的滤波方法，有效排除了瞬态噪声信号的干扰，提高了实时海水测温精度。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明实施例的水下温度遥感测量方法的流程图；

图2为本发明实施例的水下温度遥感测量系统的组成图。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1所示，一种水下温度遥感测量方法，包括如下步骤：

步骤A：由激光器发出的450nm激光经聚焦系统汇聚在海水的监测点,之后海面反射回散射光,散射光包含了入射激光、与入射激光同频率的米散射光、瑞利散射光和入射激光有频移的布里渊散射光，以及与入射激光有频移的拉曼散射光；

步骤B：散射光经卡塞格林望远镜接收，通过480nm滤光片抑制了450nm周围的米散射光、瑞利散射光和布里渊散射光；

步骤C：透射的拉曼散射光进入光栅分光系统的狭缝，经反射镜A1、反射镜A2反射后在闪耀光栅上发生衍射，不同波长的拉曼散射光对应不同衍射角，经反射镜A3和反射镜A4反射后在像增强器入射光敏面上依次排列形成二维连续线状拉曼光谱；

步骤D：通过像增强器增强后的二维拉曼光谱经成像透镜在面阵CCD光敏面上成像，面阵CCD不同列像素对应记录不同波长散射光的光强，将其转化成二维电信号，经模数转换后输入信息处理终端进行数据处理生成光谱图，基于双波段面积比的水温反演方法与频数分布原理的滤波方法得到待测水域的温度，通过频数分布原理的滤波方法，提高水下温度遥感系统的抗干扰性，改进海水温度的激光遥感测量精度，进一步提出了基于频数分布原理的滤波方法，有效排除了瞬态噪声信号的干扰，提高了实时海水测温精度；

其中，步骤D中经模数转换后输入信息处理终端进行数据处理生成光谱图的数据处理步骤如下：

步骤一：信息处理终端控制面阵CCD连续采集多幅二维光谱图像，依次进行A/D转换输入信息处理终端内；

步骤二：信息处理终端将所获K幅二维光谱图像进行相加运算，信息处理终端将时间累加后获得的二维光谱图像进行空间累加处理；

步骤三：设置空间累加的起始行ML和终止行MH，以及起始列NL和终止列NH，其中1≤ML，MH≤M，1≤NL，NH≤N，MXN为面阵CCD的像素分辨率，读取进行空间累加的二维有效光谱，每列像素值代表相应波长单色光的相对光强，将对应同一波长的一列像素值相加，作为该波长单色光的相对光强，得到的初步光谱记做I(n)，根据I(n)将像素坐标转化为波长坐标，得到光谱，将面阵CCD的时间累加方式和空间累加方式相结合，有效提高了拉曼光谱遥感系统的测量速度、灵敏度和信噪比，实现了微弱拉曼光谱信号的快速测量。

请参阅图2所示，本发明还提供一种水下温度遥感测量系统，应用如上述方案中的水下温度遥感测量方法，包括：激光器、聚焦系统、卡塞格林望远镜、滤光片、光栅分光系统、像增强器、成像透镜、面阵CCD和信息处理终端；

聚焦系统由150nm焦距的正透镜与-100mm焦距的负透镜组成，聚焦系统用于调整两个透镜之间的间距改变聚焦深度，来实现不同深度水温的测量；卡塞格林望远镜焦距为800mm，视场角3度，口径为105mm；滤光片为480nm滤光片，截止深度为OD6，滤光片用于滤除后向的瑞利散射、米散射和布里渊散射光；光栅分光系统包括反射镜A1、反射镜A2、反射镜A3、反射镜A4和闪耀光栅。

本发明的工作原理及使用流程：通过激光器发出激光经聚焦系统汇聚在海水的监测点，海面反射的散射光经卡塞格林望远镜接收，透射的拉曼散射光进入光栅分光系统，再通过像增强器增强后的二维拉曼光谱经成像透镜在面阵CCD光敏面上成像，面阵CCD不同列像素对应记录不同波长散射光的光强，将其转化成二维电信号，经模数转换后输入信息处理终端进行数据处理，信息处理终端控制面阵CCD连续采集多幅二维光谱图像，依次进行A/D转换输入信息处理终端内，将所获K幅二维光谱图像进行相加运算，信息处理终端将时间累加后获得的二维光谱图像进行空间累加处理，得到的初步光谱记做I(n)，根据I(n)将像素坐标转化为波长坐标，得到光谱，再基于双波段面积比的水温反演方法与频数分布原理的滤波方法得到待测水域的温度，通过频数分布原理的滤波方法，提高水下温度遥感系统的抗干扰性，改进海水温度的激光遥感测量精度，进一步提出了基于频数分布原理的滤波方法，有效排除了瞬态噪声信号的干扰，提高了实时海水测温精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。