一种水下多波长后向散射与荧光监测探头的制作方法

本申请涉及光学原位探测技术领域，特别是涉及一种水下多波长后向散射和荧光监测探头装置。

背景技术：

水体后向散射系数是重要的海洋光学参数，在海洋水色遥感、水色组分浓度反演和生物光学模型中扮演重要角色。而通过研究海洋中叶绿素浓度可以了解浮游植物的分布情况、初级有机物的分布变化规律，对水体富营养化造成的赤潮具有预警作用。国外多家公司开发出了多款较成熟的海洋光学传感器，在海洋的环境调查、生态环境监测、赤潮监测等方面得到了广泛的应用。而我国在该领域的研究还大多停留在实验样机阶段，国内海洋监测仪器市场基本被国外垄断，研制具有自主知识产权的技术和设备迫在眉睫。

在海洋观测中，传统的现场取样、带回实验室分析，样品在采集、运输和保存过程中会因为温度、压力和光照改变而导致样品的相关特性发生改变。同时也无法获取突发事件或者恶劣环境下的现场记录，因此开发可以长时间现场测量的原位传感器具有重要的意义。光学法以其高稳定性、不易污染、无需定期校准等优点逐步成为生物化学检测方法的主流。光学法主要有分光光度法、荧光法和散射光法，其中荧光法和散射光法在物质低浓度时测量精度较高，一般比分光光度法高1～2个数量级，而且稳定性好，在原位低浓度物质测量中具有广泛的应用。目前，各类传感器开始往多波段、小型化、低功耗、高稳定性、原位多参量探测方向发展。

基于以上研究背景，本专利水下多波长后向散射和荧光监测探头是多波段集成海洋光学传感器，其原理是采用稳定的发光二极管作为激发光源、利用高灵敏度的光电探测器接收后向散射和荧光信号，探测过程中采用了光源分时发射和光电探测器复用的工作方式，不仅可以有效避免环境杂散光的干扰，还降低了系统体积和功耗，可实现海洋环境长期、连续、实时观测应用。

技术实现要素：

本申请实施例中提供了一种水下多波长后向散射与荧光监测探头，该水下多波长后向散射与荧光监测探头具有小型化、低功耗、集成化的特点。

第一方面，本申请实施例提供了一种水下多波长后向散射与荧光监测探头，其特征在于，包括：密封舱壳体，以及位于所述密封舱壳体内部的第一激发光源(1)，第二激发光源(2)，第三激发光源(3)，第一光电探测器(4)，第二光电探测器(5)和第三光电探测器(6)，恒流源驱动调制电路；其中，所述第一激发光源(1)、所述第二激发光源(2)和所述第三激发光源(3)中心波长各不相同；所述探头还包括：位于所述第一光电探测器(4)前端的第一带通滤光片，位于所述第二光电探测器(5)前端的第二带通滤光片，位于所述第三光电探测器(6)前端的第三带通滤光片，其中，所述第一带通滤光片的带通中心波长与所述第一激发光源(1)的中心波长相同，所述第二带通滤光片的带通中心波长与所述第二激发光源(2)的中心波长相同；所述第三带通滤波片的带通中心波长与所述第三激发光源(3)的中心波长相同；所述第一光电探测器(4)用于探测所述第一激发光源(1)在117度的后向散射信号；所述第二光电探测器(4)用于探测所述第二激发光源(2)在117度的后向散射信号，所述第二光电探测器(5)还用于探测所述第三激发光源(3)在142度的叶绿素荧光信号；所述第三光电探测器(6)用于探测所述第三激发光源(3)在142度的后向散射信号；所述恒流源驱动调制电路用于控制在第一时间段只有所述第一激发光源(1)和所述第二激发光源(2)发光，所述驱动电路还用于控制在第二时间段只有所述第三激发光源(3)发光，所述第一时间段与所述第二时间段不存在重合部分。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述第一激发光源(1)为中心波长550nm的发光二极管，所述第二激发光源(2)为中心波长为680nm的发光二极管，所述第三激发光源(3)为中心波长为450nm的发光二极管，所述第一带通滤光片的中心波长为550nm，所述第二带通滤光片的中心波长为680nm，所述第三带通滤光片的中心波长为450nm。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述恒流源驱动调制电路采用恒流源驱动电路高频调制所述第一激发光源(1)、第二激发光源(2)和第三激发光源(3)。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述探头还包括：第一光学窗口，第二光学窗口，第三光学窗口，第四光学窗口，第五光学窗口和第六光学窗口，所述第一光学窗口放置于所述第一激发光源(1)之前，所述第二光学窗口放置于第二激发光源(2)之前，所述第三光学窗口放置于所述第三激发光源(3)之前，所述第四光学窗口放置于所述第一带通滤光片之前，所述第五光学窗口放置于所述第二带通滤光片之前，所述第六光学窗口放置于所述第三带通滤光片之前，所述第一光学窗口、所述第二光学窗口、所述第三光学窗口、所述第四光学窗口、所述第五光学窗口和所述第六光学窗口均与所述探头前端盖面平行放置，所述光学窗口材质为石英玻璃或蓝宝石。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述探头还包括：位于所述密封舱壳体的水密插接头。

与现有技术相比，本实用新型的特征在于：

(1)采用了恒流源驱动电路高频调制光源，抗环境光干扰能力强，具有重要的实用价值。

(2)采用了光源分时发射和光电探测器复用的工作方式，实现了多波长集成探测后向散射和叶绿素荧光信号；

(3)系统光路更简单、功耗更低，有利于小型化、集成化探测，可搭载多种运载平台。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本申请一个实施例的探头前端盖布局示意图。

图2示出了本申请一个实施例的探头的结构性示意图，其中a示出了本申请一个实施例的探头截面的结构性示意图，b示出了本申请另一个实施例的探头截面的结构性示意图，c示出了本申请再一个实施例的探头截面的结构性示意图。

图3示出了本申请一个实施例的探头的驱动电路的示意性框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本实用新型由密封舱壳体、壳体上的光学窗口和置于壳体内部的发光二极管(led)光源、带通滤光片、光电探测器、驱动电路板几部分组成；光学窗口内侧对应设有led光源和光电探测器(detect)，光电探测器前端设有滤光片；led光源与探测器中心选择适当角度固定；led光源和光电探测器均连接到驱动电路板上；壳体后端盖上设有水密接插头。

本实用新型所述的光学探头，浸没在水中工作，驱动电路板上的恒流源驱动调制电路控制led光源发出高频调制信号，具有一定发散角的发射光透过玻璃窗口照射到水中，其产生的后向散射信号和叶绿素荧光信号透过玻璃窗口，经过带通滤光片过滤后到达光电探测器，光电探测器完成光信号到电信号转换，驱动电路板将电信号进行放大、滤波、解调处理。光学探头通过壳体上的水密插头进行供电以及与上位机通信。使用过程中，通过提前在现场进行定标，在控制软件中导入配置文件后即可将光学探头用于水中原位在线监测。

所述的玻璃窗口，可选用石英玻璃或者蓝宝石材料。

所述led光源中心波长分别为450nm、550nm和680nm，应理解，led光源的中心波长还可以为其它波长，本申请不做限定。

所述带通滤光片中心波长分别为450nm、550nm和680nm，半高全宽为20-40nm。

所述光电探测器可选用暗电流较小的pn光电二极管，在190nm-1000nm宽光谱范围内具有较好的光谱响应。

所述的驱动电路板，包括led光源调制及光电探测器的信号处理电路。采用led光源采用分时发射和光电探测器复用的工作方式，首先550nm和680nm中心波长led同时发光，对应550nm和680nm带通滤光片的光电探测器同时接收其后向散射信号；之后450nm中心波长led发光，对应450nm和680nm带通滤光片同时接收其后向散射信号和叶绿素荧光信号。驱动电路将光电探测器采集的信号进行放大、滤波后，通过水密插头将信息输出到上位机。所述壳体采用密封结构，具有防水功能，采用铝合金材料，并进行硬质氧化处理。

本实用新型的光源和光电探测器在探头前端盖布局如图1所示，图中呈现了6个光学窗口，该六个光学窗口均与探头前端盖面平行放置，所述光学窗口材质为石英玻璃或蓝宝石。该探头的具体结构如图2所示。采用550nm的led光源与光电探测器1配合，测量550nm发射光在117°方向的后向散射信号(图2(a))；采用680nm的led光源与光电探测器2配合，测量680nm发射光在117°方向的后向散射信号，并且通过450nm的led光源与光电探测器2配合，测量在680nm处的叶绿素荧光信号，此处采用了光电探测器复用的工作方式(图2(b))；采用450nm的led光源与光电探测器3配合，测量450nm发射光在142°方向的后向散射信号，此处与荧光探测共用了led光源(图2(c))。其具体分时工作方式为：550nm和680nm中心波长led同时发光，对应550nm和680nm带通滤光片的光电探测器同时接收其后向散射信号；随后450nm中心波长led发光，对应450nm和680nm带通滤光片同时接收其后向散射信号和叶绿素荧光信号。

本实用新型所用的驱动电路如图3所示，主要包括：led光源、恒流源驱动调制电路，低功耗单片机，a/d转换器，同步解调器，二级放大器，带通滤波器，前置放大器,i/v转换器，光电探测器，rs232通信单元和pc端。其特征在于：为led光源设置独立的光功率调节电路，实现了无干扰的独立调节；采用pwm可调多路输出功能实现了对斩波信号的相位精调；通过加强模拟电路与数字电路的隔离，减小信号间的串扰。实际使用过程中，通过提前在现场进行定标，在控制软件中导入配置文件后即可将光学探头用于水中原位在线监测。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于终端实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。