本發明涉及深海探測的，更具體地，涉及一種針對海底冷泉滲漏氣泡的原位圖像采集裝置、方法和監測方法。

背景技術：

1、海底冷泉氣體滲漏是全球范圍內分布廣泛的一種自然現象，其滲漏氣體主要以甲烷、硫化氫為主。其中，海底冷泉滲漏甲烷是大氣甲烷的重要來源，導致海底甲烷滲漏氣泡的垂直遷移對于全球氣候變化具有重要影響。因此，對海底滲漏甲烷等氣泡進行準確監測和通量評估是了解深海滲漏氣體對海洋碳循環以及全球氣候變化影響的重要手段。

2、當前，針對海底冷泉滲漏氣泡的測量主要采用氣體收集器、超聲波陣列、多波束水聲掃描聲納等技術。然而，以上技術手段均具有其局限性，如采樣量有限、難以原位投放等，導致現有技術只能實現冷泉滲漏氣泡通量的估算，難以計算氣泡關鍵參數如尺寸、形狀以及上升速率等精細參數。氣泡尺寸、形狀以及上升速率是影響滲漏氣泡在海水中遷移、轉化的重要因素，關系到海底滲漏甲烷對海洋碳循環以及全球氣候變化評估的可靠性和準確性。

技術實現思路

1、本發明的目的之一在于提供一種針對海底冷泉滲漏氣泡的原位圖像采集裝置，以克服上述現有技術難以原位投放，準確獲取海底冷泉滲漏氣泡圖像的缺陷；目的之二在于提供一種針對海底冷泉滲漏氣泡的原位圖像采集方法；目的之三在于提供一種針對海底冷泉滲漏氣泡的監測方法，以克服上述現有技術難以監測海底冷泉滲漏氣泡的精細參數的缺陷。

2、為解決上述技術問題，本發明的技術方案如下：

3、本發明提供了一種針對海底冷泉滲漏氣泡的原位圖像采集裝置，包括：第一耐壓倉、可見光源、第一凸透鏡、第一視窗、采樣柱、第二耐壓倉、第二視窗、第二凸透鏡和光場相機；

4、所述第一耐壓倉的任一端面上設置有第一視窗，所述可見光源和第一凸透鏡設置在第一耐壓倉的內部，可見光源的發射端、第一凸透鏡的光心和第一視窗的中心點依次同軸設置；

5、所述第二耐壓倉的任一端面上設置有第二視窗，所述光場相機和第二凸透鏡設置在第二耐壓倉的內部，光場相機的接收端、第二凸透鏡的光心和第二視窗的中心點依次同軸設置；

6、所述采樣柱的一端與第一視窗固定連接，采樣柱的另一端與第二視窗固定連接，所述采樣柱沿徑向設置有貫通的等徑通道。

7、優選地，所述第一耐壓倉和第二耐壓倉的材料均為鈦合金。

8、優選地，所述第一視窗和第二視窗均為藍寶石視窗。

9、優選地，所述第一視窗、第二視窗、采樣柱的直徑相等。

10、本發明還提供一種針對海底冷泉滲漏氣泡的原位圖像采集方法，應用于上述的針對海底冷泉滲漏氣泡的原位圖像采集裝置，包括：

11、s101：利用rov將所述針對海底冷泉滲漏氣泡的原位圖像采集裝置運輸至深海冷泉滲漏區進行布置，將所述采樣柱的等徑通道布放在選定的目標噴口上方，滲漏氣泡在所述采樣柱的等徑通道中遷移；

12、s102：經過第一預設時間后，控制所述可見光源發射光線，經第一凸透鏡折射為平行光，依次經過第一視窗、采樣柱、第二視窗到達第二凸透鏡；所述平行光經第二凸透鏡聚焦后，傳輸至光場相機；

13、s103：所述光場相機根據預設的拍攝間隔時間，對等徑通道中的滲漏氣泡進行拍攝，獲得若干張滲漏氣泡原始圖片。

14、需要說明的是，第一耐壓倉和第二耐壓倉均為鈦合金長方體結構，內部為中空柱狀結構；第一視窗和第二視窗均為圓形藍寶石視窗；采樣柱為圓柱體，兩端分別與第一視窗和第二視窗固定連接；采樣柱的直徑與第一視窗、第二視窗的直徑相等。采樣柱沿徑向設置有貫通的等徑通道，等徑通道的直徑與體積已知，作為滲漏氣泡的遷移場景。將所述針對海底冷泉滲漏氣泡的原位圖像采集裝置搭載在rov上，運輸至深海冷泉滲漏區進行布置，將所述采樣柱的等徑通道布放在選定的目標噴口上方，同時避免耐壓艙和采樣柱阻擋目標噴口處滲漏氣泡遷移過程導致海底原位滲漏過程偏移。待針對海底冷泉滲漏氣泡的原位圖像采集裝置引起的沉積物擾動沉降穩定后，可見光源發射光線，經第一凸透鏡折射為平行光，通過第一視窗照射入采樣柱中，完全覆蓋等徑通道，提供穩定的光源。滲漏氣泡在等徑通道中遷移，平行光在等徑通道內照射到滲漏氣泡后強度產生差異信息，在通過第二視窗到達第二凸透鏡，聚焦后由光場相機接收。光場相機是一種具有微透鏡陣列和圖像傳感器的設備，進入光場相機的微透鏡陣列后不同入射角度的光線被捕捉，并由圖像傳感器產生具有入射角度和強度信息的圖像信息，并記錄圖像的拍攝時間，形成具有深度、視角、光線、時間信息的滲漏氣泡原始圖片。以預設的拍攝間隔時間對滲漏氣泡進行連續的實時拍攝，獲得若干張滲漏氣泡原始圖片。

15、本發明還提供一種針對海底冷泉滲漏氣泡的監測方法，包括：

16、s201：基于上述的針對海底冷泉滲漏氣泡的原位圖像采集方法，獲取若干張滲漏氣泡原始圖片；

17、s202：利用光場圖像重構算法，獲得每張滲漏氣泡原始圖片對應的滲漏氣泡重構圖像；

18、s203：利用邊界識別算法從每張所述滲漏氣泡重構圖像中識別滲漏氣泡，并計算每個滲漏氣泡的質心位置和當量直徑；

19、s204：基于不同張滲漏氣泡重構圖像中相對應的滲漏氣泡的質心位置，計算滲漏氣泡的遷移距離和遷移速率；

20、s205：從所述不同張滲漏氣泡重構圖像中確定新進入的滲漏氣泡及其體積，計算目標噴口滲漏氣泡的體積通量。

21、優選地，利用光場圖像重構算法，獲得每張滲漏氣泡原始圖片對應的滲漏氣泡重構圖像，包括：

22、對于每張滲漏氣泡原始圖片，將其投影到不同深度位置的重聚焦平面上，獲得若干張重聚焦圖像，將所述若干張重聚焦圖像整合獲得滲漏氣泡重構圖像；

23、其中，重聚焦圖像的計算公式為：

24、

25、式中，i(x’,y’)表示重聚焦圖像，a表示重聚焦系數，u,v分別表示滲漏氣泡在光場相機的微透鏡陣列平面上的橫、縱坐標，x’,y’分別表示滲漏氣泡在重聚焦圖像上的橫、縱坐標；

26、通過調整重聚焦系數a的大小，獲得若干張重聚焦圖像。

27、優選地，計算每個滲漏氣泡的質心位置和當量直徑，包括：

28、對于滲漏氣泡重構圖像中識別出的每個滲漏氣泡，根據其在滲漏氣泡重構圖像中覆蓋的像素數量和單個像素面積，計算滲漏氣泡的投影面積，基于所述投影面積計算該滲漏氣泡的當量直徑，計算公式為：

29、

30、式中，de表示滲漏氣泡的當量直徑，a表示滲漏氣泡的投影面積；

31、基于滲漏氣泡在滲漏氣泡重構圖像中覆蓋的像素數量和所有覆蓋的像素縱坐標之和，計算該滲漏氣泡的質心位置，計算公式為：

32、

33、式中，表示ti時刻的滲漏氣泡重構圖像中滲漏氣泡的質心縱坐標，yi表示滲漏氣泡覆蓋的像素縱坐標，n表示滲漏氣泡覆蓋的像素數量。

34、優選地，基于不同張滲漏氣泡重構圖像中相對應的滲漏氣泡的質心位置，計算滲漏氣泡的遷移距離和遷移速率，包括：

35、滲漏氣泡的遷移距離的計算公式為：

36、

37、式中，δh表示滲漏氣泡的遷移距離，為正值時表示向水面方向遷移，為負值時表示向沉積物方向遷移；表示tj時刻的滲漏氣泡重構圖像中滲漏氣泡的質心縱坐標，表示ti時刻的滲漏氣泡重構圖像中滲漏氣泡的質心縱坐標，j>ti；

38、滲漏氣泡的遷移速率的計算公式為：

39、

40、式中，v表示滲漏氣泡的遷移速率。

41、優選地，計算目標噴口滲漏氣泡的體積通量，包括：

42、

43、式中，rv表示目標噴口滲漏氣泡的體積通量，v表示不同張滲漏氣泡重構圖像中新進入的滲漏氣泡的總體積，s表示采樣柱的等徑通道的底面積，δt表示不同張滲漏氣泡重構圖像的時間間隔。

44、需要說明的是，獲得若干張時間序列的滲漏氣泡原始圖片后，利用光場圖像重構算法，獲得每張滲漏氣泡原始圖片對應的滲漏氣泡重構圖像，結合時間尺度形成了三維空間加時間維度的思維信息，利用邊界識別算法識別出滲漏氣泡，計算滲漏氣泡的質心位置和當量直徑，根據滲漏氣泡的質心位置和當量直徑可以獲得每個滲漏氣泡的形狀和尺寸，并統計出尺寸分布；相同滲漏氣泡在兩張滲漏氣泡重構圖像中質心位置的變化可以計算出滲漏氣泡的遷移距離，結合兩張滲漏氣泡重構圖像的拍攝間隔時間，可以計算出滲漏氣泡的遷移速率。通過比較兩張滲漏氣泡重構圖像，識別出新進入的滲漏氣泡及其體積，結合等徑通道的底面積和兩張滲漏氣泡重構圖像的拍攝間隔時間，可以計算出滲漏氣泡的體積通量。最終，獲得海底冷泉滲漏氣泡的尺寸、形狀、遷移速率、體積通量、尺寸分布這些精細參數。

45、與現有技術相比，本發明技術方案的有益效果是：

46、本發明提供的針對海底冷泉滲漏氣泡的原位圖像采集裝置包括在第一耐壓倉的任一端面上設置有第一視窗，在第一耐壓倉的內部設置可見光源和第一凸透鏡；在第二耐壓倉的任一端面上設置有第二視窗，在第二耐壓倉的內部設置光場相機和第二凸透鏡；采樣柱的兩端分別與第一視窗和第二視窗固定連接，采樣柱沿徑向設置有貫通的等徑通道。采集圖像時，將針對海底冷泉滲漏氣泡的原位圖像采集裝置搭載在rov上，運輸至深海冷泉滲漏區進行布置，將所述采樣柱的等徑通道布放在選定的目標噴口上方，控制可見光源發射光線，經第一凸透鏡折射為平行光，依次經過第一視窗、采樣柱、第二視窗到達第二凸透鏡；平行光經第二凸透鏡聚焦后，傳輸至光場相機，光場相機根據預設的拍攝間隔時間，對等徑通道中的滲漏氣泡進行拍攝，獲得若干張滲漏氣泡原始圖片。本發明提供的海底冷泉滲漏氣泡的監測方法，基于采集到的滲漏氣泡原始圖片，利用光場圖像重構算法獲得對應的滲漏氣泡重構圖像，進而識別計算出滲漏氣泡質心位置、當量直徑、遷移速率、體積通量等精細參數。本發明能夠原位投放，準確獲取海底冷泉滲漏氣泡圖像，在獲取到的滲漏氣泡圖像基礎上，監測出滲漏氣泡的精細參數，從而全面、客觀、準確的揭示海底滲漏甲烷氣泡的遷移和轉化規律。