一种海水生物光学剖面测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种海洋观测设备，具体涉及一种海水生物光学剖面测量系统。
【背景技术】
[0002]海水生物光学特性，是指海水的光学特性与生物地球化学要素(包括叶绿素a浓度、色素组成、悬浮颗粒物、有色溶解有机物等)的相互关系特征以及建立在这些规律基础上的反演算法。
[0003]海洋生物光学剖面测量的参数主要包括海水的吸收系数、散射系数、衰减系数、光合有效辐射等光学参量，并可加载多学科传感器对海水温度、盐度、密度等水文参量以及海水PH等进行同步测量。海水光学参量的变化与海水组成成分包括浮游植物、非藻类颗粒物、有色溶解有机物及其结构等具有密切联系，从而可进一步实现对叶绿素a浓度、浮游植物种群结构、悬浮颗粒物浓度及粒级结构、颗粒有机物浓度、溶解有机物浓度等生物地球化学参数的推算。光合有效辐射数据的获取是深入研究浮游植物光合作用过程、精确估算上层海洋初级生产力的重要参数。匹配多学科传感器获取的水文参数及化学参数，可为分析海洋生态参数的剖面分布特征提供重要的背景参考。
[0004]海洋生物光学剖面测量具有原位、高垂向分辨率、多学科参数同步测量等优势，可以作为海水中关键生物地球化学参数(包括叶绿素a浓度、颗粒有机碳浓度、悬浮颗粒物浓度等)剖面变化信息获取的重要手段，亦可为多学科综合交叉研究海洋生物地球化学过程提供依据。
[0005]海洋生物光学剖面的观测数据可用于研究不同动力过程驱动下上层海洋的生物地球化学过程。
[0006]具体的主要研究内容包括，
[0007](I)基于叶绿素a荧光剖面，揭示浮游植物的垂向分布规律及其对温跃层、营养盐跃层变化、光衰减等环境因素的响应，并耦合一维或三维生态动力耦合模型探索其机制；
[0008](2)基于海水吸收光谱变化剖面，实现对浮游植物和非藻类物质吸收贡献的分解，从而研究其剖面变化特征及其对动力背景过程的响应;已有些研究可实现对浮游植物粒级结构的反演，从而为剖面监测浮游植物种群结构变化展示了可行性；已有研究应用于特殊生态系统比如珊瑚礁等附近水体组分的调查分析；
[0009](3)基于海水衰减系数变化剖面，研究近岸底层水体悬浮颗粒物沉降及粒径结构分布特征，或基于衰减系数与颗粒有机物之间的线性相关模型，研究颗粒有机碳的剖面分布规律;并尝试对浮游植物碳含量进行估算，应用于海洋初级生产过程或碳通量的估算；
[0010](4)海水颗粒物的后向散射系数剖面分布与衰减系数具有较好的一致性，也可用于初步揭示颗粒有机物的垂向变化规律；
[0011 ]现有的海水生物光学剖面测量仪器主要包括两大类:
[0012]—类是集成了海水吸收/衰减、后向散射、海水温盐等参数的仪器，可用于船载航次的剖面投放;其核心为美国Wetlabs公司的acs，bb9或美国HobiIabs公司的HS6，自上世纪末以来，应用于全球多个海区的调查观测，以及耦合沿岸动力过程的多学科交叉研究。这一类剖面观测仪器一般是用于船载航次中现场投放观测。
[0013]另一类剖面测量仪器包括单个波段衰减系数或后向散射系数测量仪、下行辐照度传感器、荧光等光学仪器、温盐以及溶解氧、硝酸盐等化学传感器，可实现海洋的自动剖面测量，比如水下滑翔机Glider、生物光学浮标B1-Argo等;为我们进一步认识大洋水体的生物地球化学过程、理解全球气候变化提供了新的观测数据。这类仪器可实现自动剖面观测，可应用于船只难以观测的海区，在较大时间或空间尺度上提供剖面分布数据。
【发明内容】
[0014]本发明的目的在于:提供一种新的海水生物光学剖面测量系统，与现有的测量系统相比，能够更加准确、便捷地进行海水的生物光学剖面测量。
[0015]本发明的上述目的通过以下方案实现:
[0016]—种海水生物光学剖面测量系统，其包括半开放式的框架和所述框架内装载的测试设备组成，所述测试设备包括海水光吸收和衰减系数测量设备、光合有效辐射测量设备、水色三要素测量设备、海水PH值测量设备、海水总颗粒物粒径检测设备以及海水压力、温度和电导率测量设备。
[0017]本发明所述的海水生物光学剖面测量系统中，所述的海水光吸收和衰减系数测量设备用于原位测量海水的光吸收和衰减系数;所述的光合有效辐射测量设备用于测量海水辐照度;所述的水色三要素测量设备用于测量海水的叶绿素、有色可溶性有机物和红光散射。
[0018]所述海水光吸收和衰减系数测量设备包括外部舱体以及安装于所述外部舱体内的机械及光学组件，其中，所述机械及光学组件包括:发光单元、采样单元、探测单元和信号采集分析单元，其中:
[0019]所述发光单元包括主通道以及在主通道的后端分成的三路分通道，所述主通道和分通道之间相互连通，所述主通道内设置有产生光信号的光源组件，在主通道与分通道的连通处设置有用于将所述光信号分成三束的分束器，使光信号被分成三束后分别进入三路分通道;在三路分通道中，其中第一分通道和第二分通道的终端分别开有封闭的第一窗口和第二窗口；
[0020]所述探测单元包括三路接收通道，其中，第一接收通道和第二接收通道的始端分别开有封闭的第三窗口和第四窗口，第三接收通道与第二接收通道相连通；
[0021 ]所述采样单元包括用于连接第一窗口和第三窗口的第一水样通道以及用于连接第二窗口和第四窗口的第二水样通道；
[0022]所述信号采集分析单元设有光谱分析仪；
[0023]第三分通道的终端通过光纤与第三接收通道的终端相连，在第三接收通道与第二接收通道的连通处安装一合束器，所述合束器用于将第三分通道中的光信号经第三接收通道后与第二分通道中的光信号经第二接收通道后进行合分，然后再传送至第二接收通道的终端，所述第一分通道中的光信号传送至第一接收通道的终端;所述第一接收通道的终端以及第二接收通道的终端均通过光纤与光谱分析仪连接。
[0024]所述的海水光吸收和衰减系数测量设备中，发光单元为海水参数测量提供光谱丰富性能稳定的光源;采样单元主要实现水体样品的采样;探测单元实现光辐射信号的探测，该信号中携带着海水的参数信息；信号采集分析单元可以对探测到的信息进行光谱分析，为海水的光衰减和吸收参数计算提供基础参数数据。
[0025]所述外部舱体包括第一舱体、第二舱体以及连接所述第一舱体和第二舱体的连接件构成，所述第一舱体和第二舱体均分别由柱状舱体及其两端的端盖组成，所述第一舱体和第二舱体正向相对并呈直线排列，所述发光单元安装于第一舱体中，所述探测单元以及信号采集分析单元安装于第二舱体中。
[0026]所述第一至三分通道为吸收通道、衰减通道和参考通道，所述第一至三接收通道分别为吸收接收通道、衰减接收通道和参考接收通道，所述第一至四窗口分别为第一吸收窗口、第一衰减窗口、第二吸收窗口和第二衰减窗口。
[0027]所述主通道的后端延伸形成衰减通道，所述参考通道与衰减通道直接连通，所述吸收通道与主通道直接连通，所述分束器包括设置于吸收通道与主通道的连通处的第一分束器、以及设置于参考通道与衰减通道的连通处的第二分束器。
[0028]所述第一吸收窗口、第一衰减窗口、第二吸收窗口和第二衰减窗口均为同一高度和方向，它们均通过蓝宝石进行封闭；所述第一吸收通道包括与主通道垂直并连通的垂直吸收通道以及与所述垂直吸收通道垂直并连通的平行吸收通道，在所述垂直吸收通道与平行吸收通道的连通处安装一直角棱镜。
[0029]所述光源组件包括按空间顺序从主通道的前端至其后端依次设置的光源、聚光组件、衰减组件、光阑组件和第一快门组件。
[0030]在所述光源安装于一开口朝向聚光组件的聚光罩中，在第一分束器与第一快门组件之间的光路上还安装一准直镜组，在参考通道中、合束器与衰减接收通道的终端之间的衰减接收通道中、以及合束器与参考接收通道的终端之间的参考接收通道中分别安装有第一汇聚镜组、第二汇聚镜组和第三汇聚镜组;所述吸收接收通道中安装有匀化器和能量收集器，所述匀化器位于第二吸收窗口侧。
[0031 ]在合束器与第二衰减窗口之间的衰减接收通道中、以及第三汇聚镜组远离合束器一侧的参考接收通道中分别安装有第二快门组件和第三快门组件。
[0032]光合有效辐射测量设备为PAR光量子传感器；所述水色三要素测量设备为ECOTriplet-w水色三要素测量仪;所述海水pH值测量设备为SBE18pH传感器;所述海水总颗粒物粒径检测设备为LISST-100X激光粒度仪;所述海水压力、温度和电导率测量设备为OS304Pl