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高光谱沙姆激光雷达系统在海洋生物检测方面的应用

高光谱沙姆激光雷达系统在海洋生物检测方面的应用

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1沙姆激光雷达

沙姆激光雷达系统是基于沙姆成像原理 (Scheim-pflug Principle) 的一种新型的连续光激光雷达。沙姆成像原理具体描述为通过倾斜像平面使得物平面、成像透镜平面和像平面相交于一条直线,以获取目标物体全面清晰的像,如图 1 所示。基于其形似书本翻页,这个规则也被称为合页规则 (Hinge Rule)。满足沙姆原理的成像系统理论上可以在使用大口径的成像透镜时实现无穷远的景深,对长距离范围内的物体清晰成像,同时实现大口径和无限焦深。

如图 1 所示,基于几何光学的原理,可以推导得到满足沙姆成像原理下,其图像传感器像素位置与成像物体距离之间的关系:

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式中:z 是物平面上的物点到坐标原点 O 的距离;d是透镜中心到物平面的距离;φ是像平面与透镜平面之间的夹角;θ是物平面与透镜平面之间的夹角;v0是像面中心与透镜中心的距离;pI是图像传感器上像点的像素位置,可以由公式 (2) 计算得到:

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式中:Np是单列或单行的像素总个数;np是每个像素对应图像传感器坐标原点 O″的位置,O″为图像传感器的中心;wp是像素尺寸。

v0可由成像公式计算可得:

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式中:f 是成像透镜的焦距。φ可以根据三角关系得到

 

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当沙姆激光雷达系统应用于水下探测时,由于水的折射率与空气不同,光束在经过空气-水界面时会产生折射,这使系统中物点距离与像点像素位置的关系发生了变化,如果不加以矫正,所得到的距离信息将产生较大的误差,因此需要对空气-水界面的折射进行矫正以消除误差。如图 2 所示,沙姆成像原理在成像过程中,光束经过空气-水交界面后发生折射,使得真实的物点比未矫正的物点距离更远。根据折射定律和光束的几何关系,可以在yoz面矫正 z 方向上

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 1  沙姆原理示意图。O 是坐标系的原点;O'是透镜的中心;O''是图像传感器的坐标原点;是像平面与透镜平面之间的夹角;是物平面与透镜平面之间的夹角;是像面中心与透镜中心的距离;是透镜中心到物平面的距离;是图像传感器上像点的像素位置;A、B 为物平面上的物点,A'、B'为 A、B 对应的像点

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 2 距离矫正示意图。O是坐标系的原点;O是透镜的中心;p1是像平面上图像传感器每个像素的位置;A0是未考虑空气-水界面折射时物体的位置;A1是物体实际的位置;A'1A1对应的像点;σ1是入射光束与垂直方向的夹角;σ1是折射光束与垂直方向的夹角;z0是坐标原点(O)与空气-水界面之间的距离;z是未矫正的距离(OA0);21是矫正后实际的距离(OA1)

产生的距离测量误差,校正后实际的物点距离为:

 

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式中:z 是未经矫正的距离 (OA0);z1 是矫正后的距离(OA1);z0 是透镜平面与空气-水界面之间的垂直距离(OM)。σ1 和σ2 分别是入射光束和折射光束与空气-水界面的夹角。

2 非弹性高光谱沙姆雷达系统

非弹性高光谱沙姆激光雷达系统是将一维沙姆成像原理与高光谱成像技术结合的一种新型的连续光激光雷达系统,可以用于探测物质荧光光谱。满足沙姆成像原理的沙姆激光雷达系统理论上具有无穷景深,可以灵敏的探测到激光照射路径上物体所发出的荧光信号。图 3(a) 所示是笔者团队搭建的新型非弹性高光谱沙姆激光雷达系统的实验样机,主要包括激光发射模块和接收模块,图 3(b) 是其成像原理图。发射模块使用的是中心波长为 446 nm 的商用蓝色激光二极管,其最大输出功率为 1.5 W,可根据应用场景进行更换合适波长和功率的半导体激光器。接收模块由成像透镜、倾斜的狭缝、准直透镜、长通滤光片、棱镜-光栅-棱镜 (PGP) 结构、聚焦透镜和 CMOS传感器组成。物体在激光激发下产生的荧光首先经过焦距为 50 mm 的佳能成像镜头聚焦到缝宽为 50 μm的狭缝,然后通过焦距为 75 mm 的消色差双胶合的准直透镜准直,随后通过 PGP 结构进行分光,最终经过与准直透镜规格完全一致的聚焦透镜聚焦成像在面阵 CMOS 相机上。PGP 分光结构中的闪耀光栅每毫米 300 刻槽,楔形棱镜的转向角为 6°。可根据激光器波长和物质荧光光谱选择合适的长通滤波片滤除背景杂散光,以提高图像的信噪比,方便实验数据的处理和分析。φ为调试方便,将成像透镜平面与物平面的夹角设置为 90°。经过计算可得成像透镜平面与像平面夹角 为 14°。

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3 (a) 非弹性高光谱沙姆激光雷达系统样机;(b) 非弹性高光谱沙姆激光雷达成像原理图:L1 和 L2 是准直透镜,OF 是一种长通滤光片。P1 和 P2 是两个对称的楔形棱镜,G 是每毫米 300 个刻槽的透射光栅

因此,狭缝和面阵 CMOS 相机需要分别倾斜 14°,以满足共轭成像关系。此外,狭缝方向必须严格与光栅分光方向垂直,以保证距离和光谱定标准确。面阵相机所获取的图像,一个方向记录光谱信息,一个方向记录空间信息 (即距离)。在光谱数据处理时,在原始光谱图像中选择感兴趣距离范围以及光谱范围,将对应的像素点强度按照空间方向进行叠加,并根据公式 (5) 归一化,就可以得到测量物体的归一化荧光光谱数据。

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将系统应用于实验前,需要先对系统的距离和光谱进行标定。如图 4(a) 所示,未进行折射矫正的数据与矫正后的真实数据误差较大,这体现了折射矫正的必要性和准确性。从图中可以看到,非弹性高光谱沙姆激光雷达系统距离空气-水界面的距离约为 2.4 m。光谱标定采用的是标准的汞灯光源,标定结果如图 4(b) 所示,可以区分开 576.960 nm 和 579.066 nm的谱线,系统的光谱分辨率在 2.1 nm 左右。笔者利用自主搭建的非弹性高光谱沙姆激光雷达实验样机,分别在实验室环境和近岸实地环境下进

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 4  (a) 距离定标结果;(b) 光谱标定结果

行了多次水中生物探测实验。在实验室环境下,笔者团队对蓝色安朵仙水母、褐色安朵仙水母和巴布亚硝水母进行了荧光光谱探测,图 5给出了这三种水母的实物照片。将水母依次置于方形玻璃器皿中后 (玻璃器皿在 446 nm 和488 nm 激光激发下不会产生荧光),放置于规格为240 cm×40 cm×30 cm 的水箱内,使用最大功率为 1.5 W、中心波长分别为 446 nm 和 488 nm 的半导体激光二极管作为激发光先后对这些水母进行探测,都观察到了明显的红色荧光信号。这些红色荧光主要由于这三种水母体内有单细胞虫黄藻共生,而虫黄藻体内的叶 绿 素 在 446 nm 和 488 nm 的 激 光 激 发 下 会 产 生680 nm 附近的红色荧光。对探测到的水母荧光光谱信号进行处理后的光谱图如图 6 所示,可以看出三种水母荧光光谱曲线的趋势大致相同。根据实验室环境下的实验结果可以看出,光源为446 nm 或 488 nm 的非弹性高光谱沙姆激光雷达都可以探测到水母的荧光信号,可以应用于体内有虫黄藻共生的水母的探测。笔者团队还使用非弹性高光谱沙姆激光雷达系统实地对棕囊藻和水母等生物进行了探测。

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 5  (a) 蓝色安朵仙水母样品;(b) 褐色安朵仙水母样品(c) 巴布亚硝水母样品

2021 年1 月下旬,中国深圳大鹏金沙湾-南澳近岸海域爆发了球形棕囊藻赤潮。笔者团队在岸边捞取了不少球形棕囊藻囊体样品,较大的囊体的直径可达 15~16 mm,较小的囊体的直径也在几个毫米,如图 7(a) 所示。随后,笔者团队将这些球形棕囊藻囊体样品置于500 mm×100 mm×50 mm 规格的亚克力板透明水箱内,并置于距离高光谱沙姆激光雷达约 3 m 的地方。

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 6  高光谱沙姆激光雷达测得的三种水母的荧光高光谱图。(a) 激发光波长为 446 nm;(b) 激发光波长为 488 nm

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 7  (a) 球形棕囊藻实物图,较大的囊体的直径可达 15~16 mm;(b) 岸上水箱实验测得的球形棕囊藻囊体的归一化荧光光谱;(c) 在近岸渔排现场测量的照片;(d) 在近岸渔排现场测的球形棕囊藻囊体的归一化荧光光谱

此时激光雷达的光源采用的是最大功率 1.5 W 的中心波长为 446 nm 的蓝色半导体激光二极管。对探测到的球形棕囊藻囊体的荧光进行了归一化处理。如图 7(b) 所示,在 500~550 nm 之间的是微弱的水拉曼的峰,在 650~800 nm 之间是叶绿素荧光峰。随后,笔者团队在 2021 年 1 月 24 日晚上,在近岸的渔排上利用非弹性高光谱沙姆激光雷达系统直接对近岸的棕囊藻囊体进行探测。如图 7(c) 所示,红圈内的小红点就是海水中的球形棕囊藻囊体在446 nm 的激光激发下产生的红色荧光信号。图 7(d)是对现场测量的球形棕囊藻囊体荧光光谱的处理结果,从图中可以看到水的拉曼非常强。其次,对比在岸上水箱测量的球形棕囊藻囊体,现场测量的囊体的荧光在 750 nm 附近的小肩峰消失了,这是由于水对长波的吸收较大,这部分的荧光被水吸收了。此外,笔者团队还于中国深圳大鹏金沙湾-南澳海域捕捞了一些该海域常见的水母 (多管水母、双生水母),如图 8 所示。在实验室环境下,提取活性较高的水母置于装有纯净海水的透明培养皿内,作为实验前的预处理。

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 8  (a) 多管水母;(b) 双生水母

将非弹性高光谱沙姆激光雷达系统的光源换成最大功率为 1.5 W、中心波长为 488 nm 的半导体激光器,作为水母荧光的激发光源。装有纯净海水的透明比色皿在该波长下不会产生荧光。水母实验样品被置于距离雷达约 3 m 的位置。对获取的水母荧光光谱进行归一化处理,图 9(a) 和 (b) 分别给出了多管水母和双生水母在 488 nm 激发下产生的归一化荧光光谱,其荧光峰峰值都在 515 nm 左右,双生水母的光谱范围更广,在 550~600 nm 之间仍有很明显的荧光。实验结果证实了光源为 488 nm 的非弹性高光谱沙姆激光雷达探测系统还可应用于多管水母和双生水母的探测。

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 9  (a) 多管水母归一化荧光光谱;(b) 双生水母归一化荧光光谱

3 四维探测技术
为融合二维空间、一维光谱、一维深度等四维信息于一体,笔者团队基于振镜凝视式高光谱技术,结合结构光三维探测技术,搭建了一套能实现高光谱分辨率 (3 nm)、高空间分辨率、高深度精度 (27.5 μm) 的四维高光谱探测系统,其示意图和系统参数指标如图 10及表 1 所示。其光谱范围可覆盖 400~800 nm;光谱分辨率可达 3 nm;深度精度为 27.5 μm;四维探测时间小于 80 s。系统四维探测分为两部分:第一部分是结构光三维重建及高光谱立方体数据采集;第二部分是三维空间数据与高光谱数据融合形成四维数据集,四维融合探测结果如图 11 所示。基于自主搭建的四维高光谱探测系统,对真实植株与塑料植株的四维高光谱进行了探测实验,其探测结果如图 12~图13 所示。从图 13(d) 光谱曲线可以看出,绿色植物的反射光谱在 450 nm 和 670 nm 处有吸收峰,这是由叶绿素的光吸收引起的,而塑料植物的反射光谱在 440 nm 和 470 nm 处有吸收峰。提取上述几处峰值点,A 和 B 的光谱之间的差异可实现最大化。

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10  (a) 四维高光谱探测系统,包括前置光学模块、高光谱成像仪和结构光立体视觉模块;(b) 四维高光谱探测系统原理图;(c) 四维高光谱探测系统实物图

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 1  四维高光谱探测系统参数

 

 

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 11  系统流程图。(a) 原始 4D 模型;(b) 原点模型中 A、B、C、D 点的光谱曲线;(c) 基于光谱信息的点云分割 4D 模型;(d) 不同波长 (450~750 nm) 的单色图像,用于不同的 3D 透视

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12  (a) 绿色植物;(b) 被测绿色植物的高光谱立方体;(c) 绿色植物的三维点云模型;(d) 在不同角度和不同波长 (450~675 nm) 下观察到的绿色植物的四维数据;(e) 放大叶片数据;(f) 叶片中蓝色矩形区域点云的分布;(g) 点云的曲面面片

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 13  (a) 绿色植物和 (b) 塑料植物的三维点云;(c)3D 点 A 和 B 的强度谱;(d)3D 点 A 和 B 的归一化反射光谱

因此,尽管真实植株与塑料植株的三维点云模型具有非常相似的外观,但两者可以通过反射光谱很容易地进行区分。也就是说,每个 3D 点对应一个唯一的光谱数据,可以作为区分真植物和塑料植物的主要特征。上述人脸及植株探测实验,验证了文中四维探测系统具有高光谱分辨率、高空间分辨率、高深度精度的探测能力,也体现了该套系统在水下原位探测海洋生物的四维高光谱信息的巨大潜力。

4结  论
人类文明发展到现在,对海洋探索的脚步从未停歇,光学检测技术在海洋探测领域发挥着越来越重要的作用。文中提到了笔者团队基于三种不同空间扫描方式研发了多模式 (即透射、反射、荧光) 高光谱成像系统,并详述了其应用于多种藻类、斑马鱼等海洋样品检测的相关可能性。针对高光谱数据冗余问题,本团队结合了机器学习等算法,对高光谱冗余数据进行了有效降维,较优地提高了模型的分类精度及分类鲁棒性。并且于实验室模拟构建了藻类生长模型,使用自主搭建的荧光高光谱系统探测到了不同生长时期微藻透射高光谱数据,结合机器学习预测算法,实现了对其生长周期的精准预测。另外文中提及了自主搭建的用于测量物质荧光高光谱的新型非弹性高光谱沙姆激光雷达系统,并详述了使用高光谱沙姆激光雷达系统在实验室和近岸实地环境进行的多次水生生物荧光高光谱测量实验,其中包括安朵仙水母、巴布亚硝水母和棕囊藻等水生生物。其实验结果也证明了非弹性高光谱沙姆激光雷达系统在海洋生物监测上的潜力。为融合二维空间、一维光谱、一维深度等四维信息于一体,文中提及了笔者团队基于振镜凝视式高光谱技术,结合结构光三维探测技术,自主搭建了一套能实现高光谱分辨率 (3 nm)、高空间分辨率、高深度精度 (27.5 μm) 的四维高光谱探测系统,并对植株叶绿素分布做了探测研究。

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² 大容量电池,续航时间4-5小时,供电电池模块可拆卸,可配置备用电池模块,满足长时间野外测量

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