技术领域本发明应用于海洋光学探测领域，尤其涉及一种自然海水体散射函数现地测量装置及方法。
背景技术：
海水体散射函数，描述的是水体散射能量的空间分布特征，归一化的海水散射函数(相函数)是进行海水光辐射传输模拟的重要输入参数，因此海水的体散射函数的精确测定,可提高海水辐射传输模式的模拟精度；此外，海水体散射函数空间积分可获得水体体散射系数等其它信息，通过一定反演模型还可定量反演海水中各种颗粒物的浓度，同时，通过对海水体散射函数的测量还可以有助于建立更为精确的海水透明度模型，在海洋水色遥感方面具有重要的应用价值。但由于水体散射信号在0°～180°散射角范围内强度变化量级跨度较大且变化复杂，其中前向散射能量远远大于侧后向的散射能量，而侧后向散射能量又极其微弱，散射函数测量过程中涉及对大动态的信号采集与微弱信号的测量等问题，因此目前海水体散射函数的测量依然是一个难点。目前测量海水散射函数的仪器还非常少，我国相关测量仪器也主要依靠进口，目前国际上唯一商业化的海水体散射测量仪器是由HOBILabs公司生产的，它能同时在12个不同角度(10°-170°)测量，采样速率为每秒10个样品，目前HOBILabs已经将其用于各种不同水体测量。我国中科院南海所也进行了相关研究(专利公开号：CN101413888A)，设计了一款8角度的水体散射函数剖面仪，测量角度范围20°～160°，利用高灵敏度光电探测器与高精度A/D转换器相结合的办法探测微弱的散射信号，采用光源调制、接收端同步解调的办法解决了背景光的干扰。当然目前也存在仅测量后向散射系数的仪器，如WETLabs公司有ECO-BB，ECO-BB3，ECO-VSF，ECO-VSF3，ECO-BB-9等系列型号的后向散射测量仪及HOBILabs生产的HydroScat-6、HydroScat-4、HydroScat-2、DeepHydroScat-2系列。以上提到的这些仪器大多有两个共同的缺点：一是测量的角度个数不足，数据点的角度分辨率低，无法体现水体散射函数的复杂变化特征；二是测量范围不够宽，特别在前向及后向散射角附近，存在较大的测量盲区，而这些信息对于检测水溶胶微物理参数也是极为重要的。为解决上述问题，华中科技大学曾提出了一套设计方案(专利公开号：CN102519848B)，通过抛物反射面与CCD的巧妙组合实现了多角度散射光的同时测量，但不足之处在于单片CCD的动态范围不足，需要手动控制非线性衰减片来调节入射光强，防止测量单元饱和，无法完全自动化观测，同时实验条件也相对较高，不能满足实际海水体散射函数的野外剖面观测需求。综上所述，目前尚缺少大散射角范围的、高角度分辨率的野外海水体散射函数观测系统，当前设计的仪器无法满足海水体散射函数垂直剖面的精细化探测需求，因此为弥补上述缺陷，研制具有大测量范围、高角度分辨率、自动化的海水散射函数测量仪器，对于提高散射函数测量精度，提升海水辐射传输精度及完善海水透明度模型具有极为重要的意义。
技术实现要素：
针对现有海水体散射函数测量技术存在的问题，本发明的目的是提供一种大范围、高散射角分辨率的自然海水体散射函数现地测量装置及方法，实现不同水深处的水体散射函数信息的准确获取，为海水辐射传输模拟、水体透明度模型的建立及海水颗粒物的监测提供更精确的数据资料。本发明的原理是通过密集的光纤阵列实现散射光大范围高角度分辨率的采集；基于光纤集束技术和双制冷CCD分时曝光技术实现大动态散射光的测量；进而基于多角度的散射光强测量数据反算海水体散射函数。为达成本发明一目的，本发明提供一种自然海水体散射函数现地测量装置的第一技术方案，其包括海水进样单元、光散射单元、散射光采集与测量单元、数据采集与控制单元和数据处理单元，其中所述海水进样单元包括进水和出水管道、和抽水泵，所述光散射单元包括散射腔、所发出的激光穿过散射腔的激光器、位于散射腔外侧且与激光器相对设置的直射光出射通道、及接收激光且与直射光出射通道相连通的光阱，而抽水泵将海水样本抽入散射腔内。在上述技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：所述散射光采集与测量单元包括光纤采集阵列和双制冷CCD测量单元。所述数据采集与控制单元包括CCD驱动电路及控制系统、和与上位机通信的光纤通信系统，其产生CCD控制时序、控制CCD曝光时间、采集测量数据、及进行与上位机的光纤通信；其中所述数据处理单元实现与数据采集与控制单元的通信，并做测量数据的后续处理，如散射函数及相函数的计算等。所述海水进样单元是通过抽水泵将海水样本抽入散射腔内；为防止外部杂散光进入散射腔影响测量结果，进出水管道内表面涂黑，进水管道形状设计为U形，出水管道形状为Z形，测量时出水管道口及进水管道口均指向海底。所述光阱与激光器正对设置，对直接透射激光进行吸收，而直射光出射管道具有狭长通道，用于限制反射光的张角，散射腔内表面涂有黑色吸收性涂料，用于抑制散射光反射。所述散射光采集与测量单元在圆环状平台上，以激光传播方向为对称轴，采用交叉布设方式密集布设光纤探头阵列，将光纤探头末端分为两部分，通过光纤集束技术合成两束，分别与双制冷CCD测量单元紧密耦合。所述双制冷CCD测量单元基于双制冷CCD分时曝光测量方案实现对大动态散射光的测量，其中一个CCD测量前向散射强信号，另一个CCD测量侧后向散射的弱信号，并分别对2个CCD曝光积分时间进行控制，使弱信号通过长时间积分累积放大，而强信号通过短时间积分防止CCD的饱和，其中采用CCD制冷技术降低CCD暗电流，提高测量灵敏度和信噪比，采用双CCD分散射角区间测量的方法可弥补单CCD测量动态范围不足的缺陷。其通过一根带有刻度的测量绳固定，并将其置于海水的不同深度。为达成本发明另一目的，本发明提供一种自然海水体散射函数现地测量方法的第二技术方案，其包括如下步骤：S1步骤：先提供一种自然海水体散射函数现地测量装置，其包括海水进样单元、光散射单元、散射光采集与测量单元、数据采集与控制单元和数据处理单元，其中所述海水进样单元包括进水和出水管道、和抽水泵，所述光散射单元包括散射腔、所发出的激光穿过散射腔的激光器、位于散射腔外侧且与激光器相对设置的直射光出射通道、及接收激光且与直射光出射通道相连通的光阱；S2步骤：开启仪器，检查仪器功能是否正常，并对仪器预热10min左右；S3步骤：用一根带有刻度的测量绳固定测量仪器，下端系一重物，缓慢将其置入海水中，保持出水管道和进水管道均指向海底，到达指定深度处后固定测量绳，并开启抽水泵，抽海水入散射腔；S4步骤：控制双制冷CCD测量单元的曝光积分时间，测量不同角度的散射光强度，为克服海水内颗粒物随机运动及仪器自身测量误差的影响，至少测量20次求平均值作为散射光强测量值，并将测量值通过光纤传往上位机；S5步骤：上位机接收测量装置发送的测量数据，并基于这些数据计算该深度处海水的散射函数和相函数；S6步骤：停止抽入海水，继续释放测量绳，使测量仪器在海水中下沉，到达另一指定深入深度时停止，抽入海水，并重复S4和S5步骤，如此重复，直至所有需要测量的海水深度测量完毕。与传统海水体散射函数测量仪器相比，本发明存在以下优势：(1)采用光纤采集阵列实现高角度分辨率散射光同步采集，克服了目前海水体散射函数测量角度个数少，无法真实反映散射函数变化特征的缺陷，同时也可实现前向靠近0°及后向靠近180°部分散射角散射光的测量。(2)采用制冷CCD测量技术实现微弱散射光的监测，基于双CCD分时曝光测量方案实现大动态海水散射光的同步测量，改变了传统基于光电倍增管、单CCD的测量方式，是一种测量原理创新；(3)该装置结构简单，元件固化，适用于野外海水体散射函数的观测。附图说明附图1为本发明的硬件结构框图。附图2为本发明的硬件结构连接示意图。附图3为本发明的海水采样单元和光散射单元结构示意图。附图4为本发明的多通道光纤同步采集示意图。附图5为本发明的单光纤束与CCD耦合示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步的说明。如附图1所示，本发明提供一种海水体散射函数高角度分辨率测量装置，包括海水采样单元、光散射单元、散射光采集与测量单元、数据采集与控制单元和数据处理单元，由此实现对大动态散射光的高角度分辨率采集与测量，因此下面针对该测量装置的各个结构进行一一介绍。(1)海水采样单元和光散射单元的结构如图3所示，这两个单元共同包括激光器、直射光出射通道、进水管道、呈圆柱形的散射腔、抽水泵及出水管道等组件，其中散射腔、直射光出射通道、进水管道及出水管道内表面均需涂强吸收黑色涂料，散射腔涂黑的目的是为了抑制散射光在腔体内表面的反射，直射光出射通道及进出水管道涂黑的目的是抑制杂散光通过管道内壁的反射进入散射腔；进水管道制成U形，出水管道设计为Z形，其目的是防止形成外界光到散射腔的直接传播通路，测量过程中，进出水口均朝向下指向海底以抑制海表面的入射光直接通过进出水口进入散射腔；进水和出水管道长度均大于30cm，适当增加管道长度一方面可增加吸收作用距离，另一方面也可以限制非平行杂散光的进入，实现对外界杂散光的抑制。在直射光出射通道的尽头设有光阱，其目的是为了吸收直接透射激光，使之尽量无法反射回散射腔体内；为限制少量反射的直接透射光的视张角，直射光出射通道长度应不少于30cm；抽水泵位于出水口端，其目的是为了防止海水经过抽水泵时，造成海水光学性质的改变。本发明采用的激光器输出入射光波长应在可见光或近红外波段，其中以蓝紫光为最佳。(2)基于光纤阵列与双制冷CCD分时曝光的散射光采集与测量单元散射光采集与测量单元是本发明的核心，其功能是实现大动态散射光的高角度分辨率同步采集和测量，该单元包括光纤采集阵列，双制冷CCD测量单元等。在圆环状平台上(内径小于10cm)，以激光传播方向为对称轴，采用交叉布设方式密集布设的光纤阵列，从而实现散射光的高角度分辨率采集，光纤探头末端分为两部分，通过光纤集束技术合成两束(当然为进一步减小对单片CCD的测量范围的要求，也可将光纤束分为三束或三束以上，但相应的元器件，如制冷CCD测量单元的数量也得增加)，末端截面打磨光滑后，分别与双制冷CCD测量单元紧密耦合；基于双制冷CCD分时曝光测量技术实现大动态散射光的测量，其中采用CCD制冷技术降低CCD的暗电流，提高测量灵敏度和信噪比；采用双CCD分散射角区间测量的方法弥补单CCD测量动态范围的不足，其中一个CCD测量前向散射强信号，另一个CCD测量侧后向散射的弱信号，通过数据采集与控制单元产生时序脉冲信号驱动CCD，实现对两CCD曝光积分时间的控制，其中弱信号可通过长时间积分累积放大，强信号可适当缩短积分时间，防止CCD测量单元饱和。下面进行详细介绍：采用光纤阵列的目的在于提高测量角度的个数，提升测量角度分辨率，但布设光纤数目过密，制作工艺要求过高，因此本发明采用错位摆放法。如附图4所示，在0～360°的范围内，以激光传播轴线为分界线(图中长虚线)，分别在两侧不同散射角上交错布设光纤探头，由于散射光的分布具有对称性，两侧相同散射角处的散射光测量值是等效的，因此该方法可有效缓解光纤密集布设而造成的制作工艺难度。虽然光纤只能接受符合其数值孔径的散射光，但这并不能完全有效减小杂散光对测量的干扰，因此在光纤探头前端设计一定长度的防护管道(如附图4右上角所示)，进一步限制探头的接收视张角，管道内壁涂黑，抑制杂散光二次反射干扰；光纤探头指向圆环形平台的圆心区域。本发明设计方案中，散射角的测量范围达到2°～178°，在前向0～60°及后向120°～178°区间角度分辨率为2°，光纤探头在该区间内等角度间隔分布(由于光纤以激光为对称轴交叉摆放，因此在激光一侧的圆环平台上，光纤探头摆放角度间隔为4°，如附图4)；在侧向60°～120°区间，散射角分辨率为4°，光纤探头在该区间内也是等间隔分布(在激光一侧的圆环平台上，光纤探头摆放角度间隔为8°)。采用该布设方式的原因是，前向及后向散射方向的散射能量变化动态范围大，且变化趋势相对较复杂，而在侧向散射角处，散射强度变化相对平缓。当然根据实际设计的需要，光纤探头布设的密度和角度间隔也可进行调整，不必局限于此。将光纤探头分成两束(2°～40°分为一束，40°～178°分为一束)，采用光纤集束技术将光纤末端集束，并将光纤束截面打磨平滑，然后分别与两CCD表面紧密耦合(如附图5所示)。为实现弱散射光的测量，采用制冷CCD测量技术，最大限度降低暗电流的干扰，提高测量灵敏度。由于散射光能量的动态范围极大，单个CCD的动态范围无法达到相应的要求，因此采用双CCD分时曝光的测量方案，即在前向散射角2°～40°区间采用一个制冷CCD进行测量，在40°～178°散射角区间采用另一个制冷CCD进行测量；在2°～40°区间由于散射能量较强，采用一个较短的曝光时间进行能量积分，防止CCD饱和；对于40°～178°区间，由于散射能量微弱，可采用一个相对较长的曝光积分时间，通过足够长的散射能量积分时间，保证测量精度。CCD像元测得的散射能量值除以对应的积分时间(曝光时间)，便可获得不同散射角θ对应的散射光强度Isc(θ)。(3)后续数据处理方法得到的各散射角处的散射光强值20组平均作为最终值，其目的以抑制水流不稳定、海水微粒的随机运动、测量噪声及其它影响因素的干扰，然后将最终得到的结果通过光纤通信的方式传送至上位机。在上位机上，基于不同散射角处的散射光强测量数据Isc(θi)，计算海水的散射函数βsc(θi)，具体计算方法如式(1)所示：βsc(θi)=Isc(θi)Iinc·ΔV·Ωi---(1)]]>其中Iinc指的是入射激光光强，ΔV为有效散射体的体积，Ωi是每根光纤探头对应的接收视张角。进一步的，对散射函数进行空间球面积分获取归一化系数σ如式(2)，其中dΩ表示立体角微分，表示方位角微分，然后采用该系数σ对各角度的散射函数进行归一化即可得到海水散射相函数p(θi)如式(3)。p(θi)=4πβsc(θi)σ---(3)]]>用一根带有刻度的测量绳固定该装置，并将其置于海水的不同深度，即可实现海水体散射函数剖面的测量。(4)测量方法及流程同样地，本发明按照以下方法和流程实施自然海水散射函数及相函数的测量方法，其包括如下步骤：S1步骤：先提供一种自然海水体散射函数现地测量装置，其包括海水进样单元、光散射单元、散射光采集与测量单元、数据采集与控制单元和数据处理单元，其中所述海水进样单元包括进水和出水管道、和抽水泵，所述光散射单元包括散射腔、所发出的激光穿过散射腔的激光器、位于散射腔外侧且与激光器相对设置的直射光出射通道、及接收激光且与直射光出射通道相连通的光阱；S2步骤：开启仪器，检查仪器功能是否正常，并对仪器预热10min左右；S3步骤：用一根带有刻度的测量绳固定测量仪器，下端系一重物，缓慢将其置入海水中，保持出水管道和进水管道均指向海底，到达指定深度处后固定测量绳，并开启抽水泵，抽海水入散射腔；S4步骤：控制双制冷CCD测量单元的曝光积分时间，测量不同角度的散射光强度，为克服海水内颗粒物随机运动及仪器自身测量误差的影响，测量20次求平均值作为散射光强测量值，并将测量值通过光纤传往上位机；S5步骤：上位机接收测量装置发送的测量数据，并基于这些数据计算该深度处海水的散射函数和相函数；S6步骤：停止抽入海水，继续释放测量绳，使测量仪器在海水中下沉，到达另一指定深入深度时停止，抽入海水，并重复S4和S5步骤，如此重复，直至所有需要测量的海水深度测量完毕。当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。