专利名称：一种水中微小颗粒三维体散射函数的测量系统及方法
技术领域：
本发明属于光学测量领域，具体涉及一种水中微小颗粒三维体散射函数的测量系统及应用该系统的测量方法。
背景技术：
海洋是人类赖以生存和发展的空间，蕴藏着极其丰富的自然资源，研究并良好地利用海洋将成为人类生存发展的必然选择。尺寸分布在IOOnm 1000 μ m的浮游植物属于悬浮粒子，是海洋生物链和海水水体的重要组成部分，地球50%的氧气有浮游植物光合作用产生，它的种类，尺寸分布等对水质及生态平衡具有重要意义。水体中悬浮颗粒的体散射函数(VSF)是水体的固有光学特性，它描述了水体中光散射的方向性，是了解水体光辐射传输的基础。通过测定海水中微小颗粒的体散射函数，就可得到其体散射系数及散射相函数等光学特性参数。这些参数对于海洋浮游生物检测及环境监测十分重要，同时，可依据散射理论，推算和反演相应颗粒的粒径。目前，对水体，特别是水下颗粒的体散射函数实际可行的测量方法还很少，这主要是由于无法直接对其进行测量。同时，由于水下颗粒体散射具有很强的方向性，其散射主要集中在前向散射角度上，对单一颗粒而言，在0° 180°散射角度范围内，颗粒散射强度分布跨度很大，强度量级差可达到5 6个数量级以上，此外，由于颗粒粒径与散射特性的关系，对不同粒径颗粒，同一散射角度上的散射强度也会有较大变化，这对所使用到的探测器的动态范围和灵敏度提出了很高的要求。要实现对一定粒径范围下的颗粒进行大散射角度范围的体散射函数测量必须解决上述问题。已有的水中颗粒体散射函数的测量方法，一种以03年研制成功的多谱体散射函数测量仪(MVSM)为例，它通过针对不同散射角度范围水体体散射的特点和测量困难点采用多种方案，特点是将样品池部分架设在一旋转平台之上，并同一探测器绕平台360°旋转的方式工作，可实现对平台平面内任一角度上体散射函数的测量，但由此无法保证测量的同步性，即对不同角度的同时测量，同时测量周期过长，无法满足于实际环境快速测量的要求。另如由WETLabs研发的多角度散射光学仪 (MASCOT)，通过在同一圆周多个方向上分别设置探测器进行探测，可实现同时对多个分离的单一角度散射光的体散射函数测量，但此方法测量精确度取决于所选择的各探测器的实际性能，不同探测器探测效果的差异对计算结果的影响无法避免。同时，考虑到颗粒的形状对其散射特性的影响，仅实现对平面内一维体散射函数进行测量无法准确表征颗粒的散射特性，因此，有必要提出一种能够实现同步完成空间中颗粒的三维体散射函数测量的方法和实际系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种水中颗粒的三维体散射函数测量系统，该方法测量速度快，可测样品颗粒的粒径范围大。本发明还提供了一种基于该光学测量系统的测量方法。本发明所提出的三维体散射函数测量系统，包括抛物球面反射镜，样品池，望远透镜组，光电探测器和计算处理单元，所述样品池设置于抛物球面反射镜的镜腔内，其中心部分位于抛物球面反射镜镜腔的抛物球面焦点处，入射光经整形和功率调整后会聚于抛物球面反射镜的镜腔焦点位置，经样品池内进行颗粒散射后入射到的抛物球面，变换为平行散射光，再通过所述望远透镜组调整束宽后，由光电探测器接收，并将接收的散射光光强信息转换为电信号传递至计算处理单元进行处理后，即可测量得到颗粒的三维体散射函数。所述的激光器，可提供单模连续输出功率稳定的激光。所述的抛物球面反射镜，内腔为向上开口的抛物球面，材料为反射率很高的金属材料，侧端壁上有两通孔与球面焦点共线，盛有颗粒的样品池竖直固定于内腔内，中心部分位于抛物球面焦点处，激光通过一端壁上通孔入射内腔和样品池，池内颗粒发生散射后，未发生散射的入射光通过另一端通孔出射反射镜内腔，由池中心呈发散式的射向抛物球面的散射光经过反射，变换为向内腔开口方向传播的平行光束。所述的光电探测器为面阵C⑶或CMOS图像传感器，该传感器具有一定动态范围。在本发明测量系统中，探测器接收的是平行散射光，因此面阵光电探测器是作为能量采集单元而非成像单元，面阵光电探测器可通过其驱动电路将散射光信息转化为散射图案，由计算机做相关处理。由于探测器动态范围固定，在水平光路上加入非线性衰减片可手动调整入射光的强度，使探测器可工作在线性区，避免饱和。对样品池，当溶液中颗粒浓度足够小时，颗粒之间的多次散射可忽略不计，而受光源光束照射的溶液液体的散射可视为颗粒的单次散射线性之和，由此实际出射样品池的散射光可以体现单一颗粒的散射特性。由于所使用的光电探测器截面积远小于上述平行散射光束的横截面积，如果直接接收光束，大部分散射光信息将无法接收，因此，在面阵光电探测器与抛物球面镜之间加入所设计的望远透镜组，使原平行光束束宽压缩至能由光电探测器完全接收。同时，考虑到未经抛物面镜反射的散射光及其他杂光的存在，在镜组的共焦平面上加入孔径很小的光阑， 可滤去这些非平行入射的杂光。本发明还公开了一种水中颗粒三维体散射函数测量方法，在配制含样品颗粒的试液，调整光路完成后，测量步骤为(1)开启激光器1及光电探测器10，预热激光器1至输出功率稳定输出。通过调整衰减片3调整颗粒入射光强度，在避免光电探测器饱和的前提下充分利用其动态响应范围。(2)将含样品颗粒溶液的样品池5置入抛物镜，散射中心与抛物镜焦点重合，关闭实验环境所有光源，在全黑环境下测量样品散射光，获取图像，重复获取多帧样品散射光图像。(3)取出样品池5，清洗后注入去离子水，在与步骤⑵中的同等条件下获取去离子水发生散射的散射光图案(即背景图案)。(4)通过计算机处理，对步骤( 获取的多帧图像取强度平均值作为结果R，步骤 (3)得到的背景图案设为D，由背景图案D修正散射光图案R，获得修正后的散射光图案C， 由修正图案分析颗粒散射光强度分布的变化。(5)根据抛物球面镜反射原理，可得到光电探测器10每个单元所对应的抛物球面镜上的面积元，利用面积元的几何对应关系，由修正图案C获得抛物球面镜上每单位面积所搜集到的散射光，从而进一步获取水中颗粒的三维体散射函数分布。本发明的有益效果是克服以往探测方法和装置只能进行颗粒在平面内一维测量的局限性，实现了对水中颗粒体散射函数的三维测量，避免了使用多个探测器探测不同角度体散射函数时存在的探测偏差问题，获取的图像及数据唯一性好，可对比度高，同时，本发明涉及的测量装置工作过程中可完全固定，基本无任何移动，测量稳定性好，测速快。
图1是本发明的光路结构示意图。其中1.激光器2.会聚透镜3.非线性衰减片4.抛物球面反射镜5.样品池 6.望远透镜组-物镜7.光阑8.望远透镜组-目镜9.滤光片10.光电探测器11.计算机
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。本发明三维体散射函数测量系统主要包括入射光路，接收光路，散射光强信号采集及处理模块，所述入射光路包括激光器光源1，会聚透镜2，非线性衰减片3，抛物球面反射镜4，样品池5，接收光路包括抛物球面反射镜4，望远透镜组6，8，光阑7，窄带滤光片9， 散射光强信号采集及处理模块包括光电探测器10和计算机11，所述入射光路各元件由光具座承载，并调整使各元件共轴线，激光器1输出激光经整形和功率调整后会聚于抛物球面反射镜4镜腔焦点位置，经颗粒散射，由反射镜变换后的平行散射光通过望远透镜组6，8 调整束宽，由光电探测器10接收，所得散射光光强信息通过其驱动电路转换为电信号传递至计算机11分析，处理。所述的激光器1，可提供单模连续输出功率稳定的激光。所述的抛物球面反射镜4，内腔为向上开口的抛物球面，材料为反射率很高的金属材料，侧端壁上有两通孔与球面焦点共线，盛有颗粒的样品池5竖直固定于内腔内，中心部分位于抛物球面焦点处，激光通过一端壁上通孔入射内腔和样品池5，池内颗粒发生散射后，未发生散射的入射光通过另一端通孔出射反射镜4内腔，由池中心呈发散式的射向抛物球面的散射光经过反射，变换为向内腔开口方向传播的平行光束。所述的光电探测器10为CCD或CMOS图像传感器，该传感器具有一定动态范围。本发明方法如图1和图2所示，在配制含样品颗粒的试液，调整光路完成后，测量步骤为(1)开启激光器1及光电探测器10，预热激光器1至输出功率稳定输出。通过调整衰减片3调整颗粒入射光强度，在避免光电探测器饱和的前提下充分利用其动态响应范围。(2)将含样品颗粒溶液的样品池5置入抛物镜，散射中心与抛物镜焦点重合，关闭实验环境所有光源，在全黑环境下测量样品散射光，获取图像，重复获取多帧样品散射光图像。(3)取出样品池5，清洗后注入去离子水，在与步骤O)中的同等条件下获取去离子水发生散射的散射光图案(即背景图案)。
(4)通过计算机处理，对步骤( 获取的多帧图像取强度平均值作为结果R，步骤 (3)得到的背景图案设为D，由背景图案D修正散射光图案R，获得修正后的散射光图案C， 由修正图案分析颗粒散射光强度分布的变化。(5)根据抛物球面镜反射原理，可得到光电探测器10每个单元所对应的抛物球面镜上的面积元，利用面积元的几何对应关系，由修正图案C获得抛物球面镜上每单位面积所搜集到的散射光，从而进一步获取水中颗粒的三维体散射函数分布。颗粒的体散射函数是其固有光学特性，独立于周围的光场。在颗粒入射光和散射光构成的一维平面内，对于单色入射光而言，其定义式表达如下
权利要求
1.一种水中颗粒的三维体散射函数测量系统，包括抛物球面反射镜G)，样品池(5)， 望远透镜组(6，8)，光电探测器(10)和计算处理单元(11)，所述样品池( 设置于抛物球面反射镜(4)的镜腔内，其中心部分位于抛物球面反射镜(4)镜腔的抛物球面焦点处，入射光经整形和功率调整后会聚于抛物球面反射镜的镜腔焦点位置，经样品池(5)内进行颗粒散射后入射到(4)的抛物球面，变换为平行散射光，再通过所述望远透镜组(6，8)调整束宽后，由光电探测器(10)接收，并将接收的散射光光强信息转换为电信号传递至计算处理单元(11)进行处理后，即可测量得到颗粒的三维体散射函数。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，该系统还包括会聚透镜(2)和非线性衰减片(3)，所述入射光经该会聚透镜( 和非线性衰减片( 实现整形和功率调整。
3.根据权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于，所述望远透镜组(6，8)之间还设置有光阑(7)，用于滤除非平行入射光。
4.根据权利要求1-3之一所述的测量系统，其特征在于，在所述望远透镜组(6，8)和光电探测器(10)之间还设置有窄带滤光片(9)，用于滤除宽光谱范围里的杂光。
5.根据权利要求1-4之一所述的测量系统，其特征在于，所述抛物球面反射镜(4)侧端壁上开有贯通镜腔的通孔，该通孔中心轴与球面焦点共线，入射光通过该通孔入射到抛物球面反射镜的抛物球面焦点处。
6.根据权利要求1-5之一所述的测量系统，其特征在于，该系统还包括激光器(1)，所述入射光由该激光器(1)发出。
7.应用权利要求1-6之一所述的测量系统进行测量的方法，包括如下步骤(1)开启激光器1及光电探测器10，预热激光器1至输出功率稳定输出。通过调整衰减片3调整颗粒入射光强度，在避免光电探测器饱和的前提下充分利用其动态响应范围。(2)将含样品颗粒溶液的样品池5置入抛物镜，散射中心与抛物镜焦点重合，关闭实验环境所有光源，在全黑环境下测量样品散射光，获取图像，重复获取多帧样品散射光图像。(3)取出样品池5，清洗后注入去离子水，在与步骤O)中的同等条件下获取去离子水发生散射的散射光图案(即背景图案)。(4)通过计算机处理，对步骤( 获取的多帧图像取强度平均值作为结果R，步骤(3) 得到的背景图案设为D，由背景图案D修正散射光图案R，获得修正后的散射光图案C，由修正图案分析颗粒散射光强度分布的变化。(5)根据抛物球面镜反射原理，可得到光电探测器10每个单元所对应的抛物球面镜上的面积元，利用面积元的几何对应关系，由修正图案C获得抛物球面镜上每单位面积所搜集到的散射光，从而进一步获取水中颗粒的三维体散射函数分布。
全文摘要
本发明公开了一种水中颗粒的三维体散射函数测量系统，包括抛物球面反射镜，样品池，望远透镜组，光电探测器和计算处理单元，样品池设置于抛物球面反射镜的镜腔内，其中心部分位于抛物球面反射镜镜腔的抛物球面焦点处，入射光会聚于镜腔焦点位置，经样品池内进行颗粒散射后入射到的抛物球面，变换为平行散射光，再通过望远透镜组后由光电探测器接收，并传递至计算处理单元进行处理后，即可测量得到颗粒的三维体散射函数。本发明还公开了利用上述系统进行测量的方法。本发明避免了使用多个探测器探测不同角度体散射函数时存在的探测偏差问题，获取的图像唯一性好，可对比度高，工作过程中可完全固定，测量稳定性好，测速快。
文档编号G01N15/00GK102519848SQ20111036360
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者夏珉, 李微, 杨克成, 韩晨 申请人:华中科技大学