水下自喷热源红外成像/光电探测系统

水下自喷热源红外成像/光电探测系统

技术领域

本发明水下自喷热源红外成像/光电探测系统属于水下光电技术应用领域，是一种适用于对水下热源实施非接触测温与光电复合探测系统。

背景技术

为加快开发深远海宝贵矿产资源，高效率探寻南大西洋脊热液活动，实时监测近远海生态环境演变情况，及详细了解海底热源对周围生物生存的影响，为发展水下自喷热源红外成像/光电探测系统提出了非常紧迫的需求。

据多方调研了解，目前国内外尚无中长波红外成像系统用于水下热源目标探测，亦无对水下喷射粒子的激光粒度仪应用先例，对海底热源的非接触测温手段也是非常缺乏，原因主要如下：

1、海水是一个巨大无比的恒温箱，水温保持在2-5℃，由此使得在海水包覆下的热源目标，其温度分布经海水传递后被快速降温，因此实施非接触测温的精度难以提高。

2、水下热源通常会伴随自发喷射一些烟尘粒子、物质颗粒或气泡，若利用激光粒度仪检测其粒度/浓度分布，因这些微粒同时也被海水介质所包围，所以如何区分热源喷射物与海水介质的激光散射之差，对检测技术要求很高。

本发明水下自喷热源红外成像/光电探测系统就是针对上述问题而提出的。

发明内容

本发明的目的是为获得一种水下自喷热源红外成像/光电探测系统。该系统所探测的主要对象为水下自喷热源，如海底火山口、油气/天然气喷口、矿产热液喷口和水下施工大型供电设备等；探测热源温度几十度-数百度，成像/探测距离几-几十米，工作深度浅海-深海；水下自喷热源红外成像/光电探测系统由长波红外热像仪、中波红外成像测温仪、激光照明/粒度/测距仪、低照度水下摄像机与图像综合处理器等组成；可获得自喷热源的红外图像、可见光图像和喷射物质的浓度(烟、粒子、气泡)等信息；经图像综合处理后，可给出水下自喷热源的温度分布情况、喷射物质弥散面积、相对探测载体的距离等，是一种适合水下航行器使用的水下自喷热源光电探测/监控系统。

其中，长波红外热像仪和中波红外成像测温仪是水下自喷热源红外成像/光电探测系统中工作在红外波段的设备。其中，长波红外热像仪主要用于对几十-100度的水下热源实施探测和红外成像，工作波段8-10μm，温度分辨率优于100mk，可获得热源目标的红外图像或整体轮廓；中波红外成像测温仪主要用于对百度以上的高温水下热源实施温度测量与成像，工作波段2-5μm，温度分辨率优于20mk，可获得热源目标的温度分布图像。

激光照明/粒度/测距仪和低照度水下摄像机是水下自喷热源红外成像/光电探测系统中工作在可见光波段的设备，其中，激光照明/粒度/测距仪的工作波长为532nm、以脉冲方式工作，接收器件为高灵敏APD探测器；低照度水下摄像机的工作波段为0.4-0.9μm，峰值在550nm附近。为确保绿激光照明水下目标时低照度水下摄像机接收系统不饱和，在摄像机光学窗口前设置一个可切换的高动态范围可变衰减片；并通过同步激光脉冲发射时间与摄像机工作帧频的方法提高接收信噪比。为获得喷烟、火焰或气泡的喷射微粒浓度/粒度分布，可通过检测喷射微粒对激光的反射或透射能量、对喷射区域的多点测距参数，并结合低照度水下摄像机获得的目标图像，以此获得水下热源的位置数据与三维图像。

图像合成处理器由输入/输出接口、主控计算机和显示器等单元组成。其中，输入/输出接口承担与水下自喷热源红外成像/光电探测系统中各设备之间交互的控制指令与信息传递；主控计算机根据所获得的水下热源目标的红外/可见光图像、温度数值、温度分布、作用距离、浓度/粒度等信息进行融合处理与综合分析，为判断水下热源目标的类型、整体温度分布状态，及热液喷射物特征等提供重要依据。

水下自喷热源红外成像/光电探测系统中的所有设备按模块化、组件化设计，使之既可独立工作，也可联合使用，或根据需要进行组合更换；每台设备均配有统一的输入/输出接口，由图像综合处理器将其联合成为一个系统整体。

本发明水下自喷热源红外成像/光电探测系统的优点：

1、采取将长波红外热像仪、中波红外成像测温仪、激光照明/粒度/测距仪和低照度水下摄像机综合使用的方法，综合解决热量的海水传递与喷射物/海水差异获取难题。

2、采用长波红外热像仪接收经海水传递的目标热量，并通过分辨热源与水环境之差异成热源目标轮廓像；利用中波红外成像测温仪检测高温热源的中心温度，及与释放的喷射物之温差，通过与设备自带的标准黑体比对及反演算法，由此得到热源目标的温度分布情况。

3、利用激光照明/粒度/测距仪的多功能和距离选通技术，实现对喷射物的前后纵深距离测量；利用激光照明技术，辅以红外热像仪确定喷射物与海水的界面；通过将低照度水下摄影机获取的可见光图像与红外热像仪获取的热源图像进行相对比较，为判断目标分布区域提供更多信息参考。

4、采取模块化设计和通用型输入/输出接口软硬件，使得各设备可灵活运用、优化组合。

附图说明

图1水下自喷热源红外成像/光电探测系统总体框图

图2图像综合处理器显示内容说明

具体实施方案

本发明水下自喷热源红外成像/光电探测系统的具体实施方案。水下自喷热源红外成像/光电探测系统由长波红外热像仪1、中波红外成像测温仪2、激光照明/粒度/测距仪3、低照度水下摄像机4与图像综合处理器5等组成。为实现对水下自喷热源，如海底火山口、油气/天然气喷口、矿产热液喷口和水下施工大型供电设备等目标的非接触探测，温度范围从几十度-数百度，成像/探测的距离为几-几十米，水下平台的工作深度可从浅海到深海。

长波红外热像仪1和中波红外成像测温仪2是水下自喷热源红外成像/光电探测系统中工作在红外波段的设备。其中，长波红外热像仪1主要用于对几十-100度的水下热源实施探测和红外成像，工作波段8-10μm，温度分辨率优于100mk，可获得热源目标的红外图像或整体轮廓；中波红外成像测温仪2主要用于对百度以上的高温水下热源实施温度测量与成像，工作波段2-5μm，温度分辨率优于20mk，可获得热源目标的温度分布图像；激光照明/粒度/测距仪3和低照度水下摄像机4是水下自喷热源红外成像/光电探测系统中工作在可见光波段的设备，两者相互协同，配套工作。其中，激光照明/粒度/测距仪3的发射波长为532nm、脉冲方式工作，接收器件为高灵敏APD探测器；低照度水下摄像机4的工作波段0.4-0.9μm，峰值波长550nm附近，两者可协同配合工作。利用对水下热源目标区实施主动激光照明的方法，增强低照度水下摄像机4的观察距离；通过对喷烟、火焰或气泡的激光探测，获得热源喷射微粒的浓度/粒度分布；通过对水下目标区多点激光测距，结合低照度水下摄像机4获得目标图像、水下热源位置及三维图像。为确保在绿激光实施水下照明时低照度水下摄像机4不饱和，在摄像机的光学窗口增设一个可切换高动态范围可变衰减片；并通过同步激光脉冲发射时间与摄像机工作帧频，提高探测信噪比。图像合成处理器5由输入/输出接口、主控计算机、显示器等单元组成，其中输入/输出接口承担与水下自喷热源红外成像/光电探测系统中各设备之间交互的控制指令与信息传递；主控计算机根据所获得的水下热源目标的红外/可见光图像、温度数值、温度分布、作用距离、浓度/粒度等信息进行融合处理与综合分析，为判断水下热源目标的类型、整体温度分布状态，及热液喷射物特征等提供重要依据。水下自喷热源红外成像/光电探测系统中的所有设备，可根据执行水下任务进行实现选择与优化配置。利用图像综合处理器5与每台设备之间的输入/输出接口，联合成为一个多功能任务整体。