自然海水体散射函数现地测量装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种自然海水体散射函数现地测量装置，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及数据处理单元。所述散射光采集与测量单元采用光纤阵列实现散射光的高角度分辨率同步采集，采用双制冷CCD分时曝光技术实现多角度、大动态散射光的同步测量。通过散射腔、进水及出水管道等特殊设计，既保证海水的有效采样，又可有效抑制杂散光的干扰。本实用新型可有效解决传统海水散射函数现地测量仪测量范围不足、角度分辨率不高的缺陷，通过进一步处理还可获得海水散射系数及相函数等信息，可为海水辐射传输模拟、海水透明度模型的建立提供更为精细化的数据资料。
【专利说明】
自然海水体散射函数现地测量装置
技术领域
[0001] 本实用新型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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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HOB I Lab s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HOBI Labs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:CN 101413888 A)，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WET Labs公司有 EC0-BB，EC0-BB3，EC0-VSF，EC0-VSF3，EC0-BB-9等系列型号的后向散射测量仪及HOB I Labs 生产的办(11'〇3〇&1：-6、取(11'〇3〇&1：-4、办(11'〇3〇&1：-2、066口办(11'〇3〇&1：-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，需要手动控制调节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，保证测量数据信息量具有极为重要的意义。 【实用新型内容】
[0004] 针对现有海水体散射函数测量技术存在的问题，本实用新型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，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。本实用新型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。
[0005] 为达成本实用新型目的，本实用新型提供如下技术方案: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、及抽水栗，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，而抽水栗将海 水样本抽入散射腔内。
[0006] 在上述技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：
[0007] 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。
[0008] 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、并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。
[0009] 所述海水进样单元通过抽水栗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，测量时出水及进水管道口均指向海底。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013]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。
[0014] 与传统海水体散射函数测量仪器相比，本实用新型存在以下优势：
[0015] (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 〇°及后向靠近180°部分散射角散射光的测量。
[0016] (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；
[0017] (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】
[0018] 附图1为本实用新型的硬件结构框图。
[0019] 附图2为本实用新型的硬件结构连接示意图。
[0020] 附图3为本实用新型的海水采样单元和光散射单元结构示意图。
[0021] 附图4为本实用新型的多通道光纤同步采集示意图。
[0022] 附图5为本实用新型的单光纤束与(XD耦合示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
[0024] 如附图1所示，本实用新型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--介绍。
[0025] (1)海水采样单元和光散射单元
[0026] 如附图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、抽水栗及出水管道等组件，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，使得进出水口均朝向下指向海底以抑制海表面 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，其目的是防止形 成外界光到散射腔的直接传播通路，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。
[0027] 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;抽水栗位于出水口端，其目的是为了防止海水经过抽水栗时，造成海水光学性 质的改变。
[0028] 本实用新型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。
[0029] (2)基于光纤阵列与双制冷CCD分时曝光方案的散射光采集单元
[0030] 散射光采集单元是本实用新型的核心，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测量动态范围不足的缺陷（一个CCD测量前向散射强信号，另一个测量侧后向散射 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，防止测量 单元饱和。下面进行详细介绍：
[0031] 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，因此本实用新型采用错位摆放法。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。
[0032] 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。
[0033]本实用新型设计方案中，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，光纤探头摆放间隔为8°)。采用该布设方式的原因是，前向及后向散 射方向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。
[0034]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。
[0035]由于散射光能量动态范围极大，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0~40°区间采用一个制冷CCD进行测量，在 40~180°另采用一个制冷CCD进行测量;在0~40°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40~180°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9对应的散射光强度 (0)〇
[0036] (3)后续数据处理方法
[0037]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上。
[0038]在上位机上，基于不同散射角处的散射光强测量数据m)，计算海水的散射函 数&。(0i)，具体计算方法如下式所示： (1)
[0040]其中Iinc；指的是入射激光光强，AV为有效散射体的体积，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〇如式(2 )，其中d Q表示立体角微分，Ap表示方位角微分，然后采用该系数〇对测量的各角度散射函数进行 归一化即可得到海水散射相函数P(l)如式(3)。
(2) (3)
[0043]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。
[0044] (4)测量方法及流程
[0045] 同样地，本实用新型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：
[0046] 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、和抽水栗，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；
[0047] S2步骤:开启仪器，检查仪器功能是否正常，并对仪器预热lOmin左右；
[0048] 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 栗，抽海水入散射腔；
[0049] 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；
[0050] 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；
[0051] 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。
[0052]当然上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项 技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范 围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实 用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种自然海水体散射函数现地测量装置，其特征在于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、及抽水栗，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，而抽水栗将海水样本抽入散射腔内。2. 根据权利要求1所述的一种自然海水体散射函数现地测量装置，其特征在于: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。3. 根据权利要求1所述的一种自然海水体散射函数现地测量装置，其特征在于: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，其中所 述数据采集与控制单元产生CCD控制时序、控制CCD曝光时间、采集测量数据、并进行与上位 机的光纤通信;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。4. 根据权利要求2所述的一种自然海水体散射函数现地测量装置，其特征在于:所述海 水进样单元的进出水管道内表面涂黑，且进水管道形状为U形，出水管道形状为Z形，测量时 出水管道和进水管道均指向海底。5. 根据权利要求3所述的一种自然海水体散射函数现地测量装置，其特征在于: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，其中散 射腔内表面涂有黑色吸收性涂料。6. 根据权利要求2或3或4或5所述的一种自然海水体散射函数现地测量装置，其特征在 于: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。7. 根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种自然海水体散射函数现地测量装置，其特 征在于: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。
【文档编号】G01N21/49GK205562385SQ201620240102
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】胡帅, 高太长, 李 浩, 赵世军, 翟东力, 刘磊
【申请人】中国人民解放军理工大学