一种海水体散射多光谱船载走航测量装置

1.本发明属于海水体散射多光谱测量技术领域，具体地说，涉及一种海水体散射多光谱船载走航测量装置。


背景技术：

2.海水的体散射函数是海洋光学最基本固有光学参数之一，其他的固有光学参数，比如散射系数、后向散射系数、衰减系数、单次反照率等，均可通过体散射和吸收系数导出。体散射描述了散射在水中的角分布，影响了水下光场的空间分布，对研究光在海水中的辐射传输、水下视觉成像以及卫星海色遥感解译都有重要的作用。水体的体散射与水体中的颗粒物含量和种类息息相关，因此体散射函数用来反演水体的颗粒物粒径分布和浮游植物种群分类，对海洋湖泊生态环境监测和海洋碳循环研究均具有重要的意义。
3.体散射测量系统实现方案可根据是否有转动装置分为如图1所示的单探测器和如图2所示的多探测器两类。单探测器体散射测量装置通常带有转动装置（光源31或探测器转动），典型代表是 sequioa 公司生产的lisst-vsf，该设备光源为波长为532nm的激光，探测器31围绕水体样品做圆周旋转，从而实现15
°‑
155
°
范围体散射测量。单探测器装置的优势是：采用一个探测器测量31，消除了由于探测器响应的不同带来的误差，且角度分辨率高；缺点是：系统复杂，不同角度散射顺序测量，且测量效率低。多探测器体散射测量装置通常不带转动装置，典型代表是wetlab公司生产的mascot，该仪器的光源31为波长为685nm的激光，围绕水体样品圆周方向均匀分布17个探测器30，实现10
°‑
170
°
范围内间隔10
°
的体散射测量。该装置的优势是：同时测量不同角度的体散射，缺点是角度分辨率低。
4.本背景技术所公开的上述信息仅仅用于增加对本技术背景技术的理解，因此，其可能包括不构成本领域普通技术人员已知的现有技术。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中海水体散射测量需要转动探测器装置，设置多个探测器装置时角度分辨率低，以及无法船载走航连续测量的技术问题，提出了一种海水体散射多光谱船载走航测量装置，可以解决上述问题。
6.为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：一种海水体散射多光谱船载走航测量装置，包括：外壳，其内部具有密闭的容纳腔；反射镜，其固定在所述容纳腔中，所述反射镜的反射面为椭圆内球面；流通管，其贯穿所述容纳腔，且经过所述反射面的近焦点，所述流通管与所述外壳密封固定，所述流通管由透光材质制作；参考光电探测器；全光谱光源，其用于发射全光谱的入射光线；滤光组件，其设置在所述入射光线的光路上，用于对所述入射光线进行滤光，仅允
许特定光谱的入射光线通过；准直部件，其设置在所述滤光组件的出光光路上，用于将所述滤光组件的出光进行准直为平行光束；分光部件，其设置在所述准直部件的出光光路上，用于将平行光束分光成两路，其中一路经过所述流通管，被流通管中的水体散射，另外一路进入所述参考光电探测器，所述参考光电探测器用于检测未经水体散射的光谱强度；第一孔径光阑，其设置在所述反射镜的远焦点处；光电探测阵列，其设置在所述第一孔径光阑的后端，流通管中水体散射光经过所述反射面反射，通过所述第一孔径光阑成像，由所述光电探测阵列检测经水体散射的光谱强度；处理模块，其分别与所述参考光电探测器和光电探测阵列连接，用于根据分别由所述参考光电探测器和光电探测阵列测量的光谱强度计算水体多光谱体散射。
7.本发明的一些实施例中，所述滤光组件包括：滤光片轮，所述滤光片轮上顺次布设有多个窄带滤光片，该多个窄带滤光片不同时位于入射光线的光路中，且各窄带滤光片的滤光波段互不相同；驱动机构，其用于驱动所述滤光片轮绕轴转动，切换位于所述入射光线的光路上的窄带滤光片。
8.本发明的一些实施例中，所述海水体散射多光谱船载走航测量装置还包括：所述准直部件为平行光管。
9.本发明的一些实施例中，所述海水体散射多光谱船载走航测量装置还包括：第二孔径光阑，其设置在所述反射镜的一侧，位于所述分光部件与所述流通管之间的光路上。
10.本发明的一些实施例中，所述第二孔径光阑出光的方向垂直于所述流通管的轴向。
11.本发明的一些实施例中，所述准直部件为平行光管。
12.本发明的一些实施例中，所述流通管与散射平面垂直，所设流通管中设置有真空泵，可实现船载走航连续测量。
13.本发明的一些实施例中，所述分光部件为光束分束器。
14.本发明的一些实施例中，所述处理模块计算水体多光谱体散射的方法为：；其中，为波长为 的入射光线经水体散射后散射角为 时光电探测阵列测得的光谱强度电压值， 为由参考光电探测器所测得的波长为 的入射光线光谱强度电压值，
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为系统光谱定标系数。
15.本发明的一些实施例中，还包括对散射角 进行角度校正，包括： 分别为校正系数， 为光电探测器角分辨率，n为阵列通道编号（比如1-256）。
16.与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：
本发明的海水体散射多光谱船载走航测量装置，首先，通过设置全光谱光源配合滤光组件，能够分别产生不同光谱的光束，通过光电探测器件分别测量海水体散射多光谱强度。
17.其次，通过设置反射面为椭圆内球面的反射镜，以及通过将流通管设置在反射面的近焦点上，流通管中的水体将入射的光向周围散射，散射光从反射面的近焦点照射在反射面上，反射面进而将光线反射汇聚到其远焦点上，由设置在远焦点后端的光电二极管阵列接收，可有效采集散射光强度。
18.再次，通过设置光电二极管阵列，可以分别测量各个角度的散射光，无需将探测器转动，以及无需设置多个探测器，且光电二极管阵列紧密排列布设，能够提高所测量的体散射角度分辨率。
19.最后，通过设置流通管和散射平面垂直，在真空泵作用下海水在流通管中流动，可实现海水多光谱体散射的船载走航连续测量。
20.结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
22.图1是现有单探测器的体散射测量系统原理示意图；图2是现有多探测器的体散射测量系统原理示意图；图3 是本发明提出的海水体散射多光谱船载走航测量装置的一种实施例的示意图；图4是本发明提出的海水体散射多光谱船载走航测量装置的一种实施例的结构示意图；图5是图4的纵向剖视图。
具体实施方式
23.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
24.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖”、“横”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
25.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等
术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.实施例一本实施例提出了一种海水体散射多光谱船载走航测量装置，如图3-图5所示，包括外壳11、反射镜12、流通管13、参考光电探测器14、全光谱光源15、滤光组件、准直部件16、分光部件17、光电探测阵列18以及处理模块19，其中，外壳11的内部具有密闭的容纳腔。
27.反射镜12固定在容纳腔中，反射镜12的反射面120为椭圆内球面。
28.流通管13贯穿容纳腔，且流通管13经过反射面的近焦点，流通管13与外壳11密封固定，流通管由透光材质制作。
29.本发明的一些实施例中，流通管13采用玻璃制作。
30.全光谱光源15用于发射全光谱的入射光线。滤光组件设置在入射光线的光路上，用于对入射光线进行滤光，仅允许特定光谱的入射光线通过。
31.通过设置全光谱光源配合滤光组件，能够分别产生不同光谱的光束，可以实现海水体散射多光谱测量。
32.通过设置反射面120为椭圆内球面的反射镜，以及通过将流通管13设置在反射面120的近焦点上，流通管13中的水体将入射的光向周围散射，散射光从反射面120的近焦点照射在反射面上，反射面120进而将光线反射汇聚到其远焦点上，由设置在远焦点上的光电二极管阵列18接收，可有效采集散射光光谱强度。不仅提高测量效率，而且提高散射角分辨率。
33.准直部件16设置在滤光组件的出光光路上，用于将滤光组件的出光进行准直为平行光束。
34.分光部件17设置在准直部件16的出光光路上，用于将平行光束分光成两路，其中一路经过流通管13，被流通管13中的水体散射，另外一路进入参考光电探测器14，参考光电探测器14用于检测未经水体散射的光谱强度。
35.光电探测阵列18设置在反射面120的远焦点上，被流通管13中的水体散射的光经过反射面120反射，由光电探测阵列18检测经水体散射的光谱强度。
36.通过设置光电二极管阵列，可以分别测量各个角度的散射光，无需将探测器转动，且光电二极管阵列紧密排列布设，能够提高所测量的体散射角度分辨率。
37.处理模块分别与参考光电探测器14和光电探测阵列18连接，用于根据分别由参考光电探测器14和光电探测阵列18测量的光谱强度计算水体多光谱体散射。
38.本发明的一些实施例中，如图3所示，流通管13中设置有真空泵23。在真空泵23作用下，水体连续经过流通管13，实现船载走航连续测量。
39.该水体散射多光谱船载走航测量装置可安装在船舶上，海水在真空泵23作用下流入流通管13，水流通方向和散射平面垂直，实现海水多光谱体散射的船载走航连续测量。
40.本实施例的海水体散射多光谱船载走航测量装置的工作原理是：全光谱光源15发出连续光谱，光束经过滤光组件进行波长选择，特定光谱的入射光线通过滤光组件。滤光后的光束通过准直部件16准直，准直光被分光部件17分光，一部分光被参考光电探测器14接
收作为入射光能量的光谱强度，主光束穿过流通管13。流通管13中为待测水体，水体可在流通管13中流动。流通管13位于椭圆内球面的反射面120的近焦点处，光电探测阵列位于反射面120的远焦点处，主光束被流通管13中水体散射，不同光谱不同角度散射光被反射面120反射后被光电探测阵列18接收。
41.本发明的一些实施例中，为了节约容纳腔的空间，减小外壳11的体积，如图5所示，本发明的一些实施例中还包括第二反射镜24，其设置在准直部件16与分光部件17之间，用于改变光传输路径，合理利用容纳腔的空间。
42.本发明的一些实施例中，如图5所示，滤光组件包括滤光片轮201和驱动机构202，滤光片轮上顺次布设有多个窄带滤光片，该多个窄带滤光片不同时位于入射光线的光路中，且各窄带滤光片的滤光波段互不相同。
43.驱动机构202用于驱动滤光片轮绕轴转动，切换位于入射光线的光路上的窄带滤光片。
44.滤光片轮201一般要涵盖主要的海洋水色卫星光谱波段，比如412nm，443nm，490nm，520nm，550nm，650nm等。滤光片轮201在驱动机构202作用下旋转，使全光谱光源15发出光束穿过不同的窄带滤光片，驱动机构202动速度可调节，具体速度取决于光电探测阵列积分时间。
45.本发明的一些实施例中，驱动机构202可采用电机实现。
46.本发明的一些实施例中，海水体散射多光谱船载走航测量装置还包括第一孔径光阑21，其设置在反射面120的远焦点处，光电探测阵列18位于第一孔径光阑21的后端，反射面120所反射的光通过第一孔径光阑21后照射在光电探测阵列18上。具体而言，不同光谱不同角度散射光被反射面120反射后穿过远焦点处的第一孔径光阑21后被光电探测阵列18接收。
47.本发明的一些实施例中，海水体散射多光谱船载走航测量装置还包括第二孔径光阑22，其设置在反射镜12的一侧，位于分光部件17与流通管13之间的光路上。
48.第二孔径光阑22作用为限制主光束中的杂散光。
49.本发明的一些实施例中，第二孔径光阑22出光的方向垂直于流通管13的轴向。第二孔径光阑22出光的方向平行于散射平面，也即，水流通方向和散射平面垂直，本方案的设计方式可连续测量水体的体散射，适合船载走航连续测量。
50.本发明的一些实施例中，准直部件16可以采用平行光管实现。
51.全光谱光源15优选采用等离子灯实现，其可发出连续光谱，光束经过滤光片轮进行波长选择。等离子灯具有极高的亮度和稳定性，2小时内光强稳定性＜0.5%。
52.本发明的一些实施例中，分光部件17可采用光束分束器实现。
53.至少反射镜12的反射面120由纯度大于99.9%的铝组成，第一孔径光阑21的孔径大小可调节，一般为1mm。
54.光电探测器阵列至少包含256个通道，实现小于1
°
的散射角探测。光电探测器阵列与第一孔径光阑21的距离与第一孔径光阑21的孔径大小和探测器阵列18长度有关，原则上透过第一孔径光阑21的光束覆盖整个探测器阵列18。
55.本发明的一些实施例中，处理模块计算水体多光谱体散射的方法为：
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；
其中， 为波长为 的入射光线经水体散射后散射角为 时光电探测阵列测得的光谱强度电压值， 为由参考光电探测器所测得的波长为 的入射光线光谱强度电压值，
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为系统光谱定标系数。
56.不同光谱不同角度散射光经椭圆反射镜后透过第一孔径光阑21照在光电探测器阵列18上，散射角和光电探测器18通道之间不是严格的线性关系，因此，本发明的一些实施例中，还包括对散射角 进行角度校正，包括：进行角度校正，包括： 分别为校正系数， 为光电探测器角分辨率，n为阵列通道编号（比如1-256）。
57.进行角度校正需要测量直径为2.0μm的标准球形散射体。根据米散射理论，直径为2.0μm球体在不同散射角有散射峰和散射谷，因此可以根据本发明测量散射峰和散射谷位置和散射角对应关系建立两者之间的函数关系。
58.光束在传输过程中有不同程度的损耗，光电探测阵列不同通道响应亦不完全一致，因此计算水体的体散射时需要进行系统定标。
59.系统定标采用直径为0.2m的标准球形散射体和衰减仪。采用 m的标准球形散射体是因为0.2m的体散射比较平缓，没有散射峰和散射谷。定标步骤如下：在流通管13中注入超纯水，改变位于入射光线的光路中的滤光组件的输出波长，测量不同波长处的超纯水衰减系数 ，记录参考光电探测测量的光谱强度电压值
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，记录光电探测阵列记录的光谱强度电压值 。
60.在超纯水中加入标准散射体，改变滤光片的输出波长，测量不同波长处的标准散射体溶液的衰减系数，记录光电探测阵列记录的光谱强度电压值 。
61.利用米散射理论计算标准散射体在不同光谱的体散射相函数 。
62.计算标准散射体的理论光谱体散射 ： 。
63.计算系统光谱定标系数 ：
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。
64.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。