一种光电透明度仪的制作方法

本发明属于海洋观测技术领域，特别涉及一种光电透明度仪。

背景技术：

水体透明度，是针对水域初级生产力评估、水质以及海洋光学遥感定标等方面的重要测量参量。由于水体透明度表征着自然光能够穿透水体的深度，从而影响水下植物的光合作用，进而决定了水域中动植物的生存环境。

目前水体透明度的测量方式，是利用价格低廉的透明度盘放到水体中，直至人眼恰好能够辨认出透明度盘存在的深度，以此估计水体的透明度值，这种测量方式因人眼和自然光强的差异而产生不确定。因此，利用校准后的光电转换器件代替人眼，能够定量获得水体的透明度值。然而，由于人眼观察水中下放的透明度盘，具有模糊识别特点，人眼观察透明度盘不存在透明度盘系留缆绳阴影和透明度盘倾斜影响问题，而现有光电探测设备，在设备下放测量水下光场的辐射量过程中，因系留缆绳旋转造成的阴影和设备的倾斜，使水体透明度测量不准确。因此，急需一种可避除系留缆绳阴影或通光截面积变化带来的影响的光电探测设备。

技术实现要素：

针对现有透明度盘测量不准确的问题，本发明的目的在于提供一种光电透明度仪，可以准确获得水体透明度，解决现有光电探测设备因系留缆绳旋转造成阴影和设备的倾斜，造成水体透明度测量不准确的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种光电透明度仪，包括光电转换盘、平衡调整机构、底坠及支撑架，其中支撑架的下端与底坠连接，上端与沿周向分布的多个光电转换盘连接，多个光电转换盘环绕于平衡调整机构的外侧、且均与所述平衡调整机构连接，所述光电转换盘用于测量水下光场的向下辐亮度及记录测量时间。

所述光电转换盘包括密封外壳、供电及控制电路、非球面凸透镜、ccd阵列、压力传感器及数据采集电路，其中供电及控制电路、ccd阵列、压力传感器及数据采集电路设置于密封外壳内、且ccd阵列设置于供电及控制电路、数据采集电路及压力传感器的上方，所述非球面凸透镜设置于密封外壳的上方，水下光场的向下辐射量经非球面凸透镜后，在ccd阵列上转换为电信号，数据采集电路采集该电信号的同时，也采集压力传感器输出的水深数值，所述供电及控制电路用于记录采样时间、深度和向下辐亮度强度。

所述非球面凸透镜的材质密度大于常规水体密度，实现光疏介质折射进入光密介质的过程，并且能够使水体中向下或向上传输的漫散射光子在任意方向上都不平行于非球面凸透镜的抛物面。

所述ccd阵列的光敏面小于非球面凸透镜的平面部分。

所述ccd阵列和压力传感器的时间响应频率以及数据采集电路的采集频率均大于1hz。

所述平衡调整机构包括配重块、平衡调节支杆及固定柱，其中固定柱通过多个平衡调节支杆分别与多个光电转换盘连接，各平衡调节支杆上均螺纹连接有一配重块，通过调节配重块的位置实现光电转换盘的平衡度调节。

所述固定柱内设有用于记录所述光电转换盘的姿态信息和相应时间的姿态传感器。

所述支撑架包括主支撑杆及多个侧支杆，其中主支撑杆的下端与所述底坠连接，上端设有o型环，多个侧支杆呈发射状与o型环连接，多个所述光电转换盘分别设置于多个侧支杆的端部。

所述主支撑杆上连接有水帆。

所述光电转换盘的数量为三个或三个以上。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.通过本发明的光电透明度仪，采集水下光场信号强度及其变化，能够避除背景光变化和人眼差异对水体透明度测量的影响，获得更准确的水体透明度数据，与现有的透明度测量仪器相比，能够有效避除仪器系留缆绳阴影和设备倾斜影响问题。

2.本发明通过在光电透明度仪的中心固定柱上集成姿态传感器，可实现对垂向通光截面进行校正。光电透明度仪中光电转换盘的安装均是采用支杆进行硬性链接，因此使用过程中，中心固定柱的姿态即为各个光电转换盘的姿态，使用过程中同步记录光电透明度仪的姿态，可进行有效通光截面的计算。

3.本发明通过三个或三个以上光电转换盘的同步测量，可实现不同安装位置处光电转换盘间的相互校准。在设备下放过程中系留缆绳旋转造成其阴影在不同光电转换盘上变化，采用三个或三个以上光电转换盘同步测量，能够利用相对位置处辐射量变化差异，对阴影导致的辐射量测量偏差进行校准。

4.本发明所涉及光电转换盘的光学窗口均采用非球面凸透镜，可实现水下漫散射光的有效接收。由于水体是天然的光学散射体，天空光进入水体后会产生多次散射，非球面凸透镜能够避免临界入射效应的影响。

5.本发明的光电透明度仪具有测量准确性高和抗背景环境干扰的优点，尤其适用于背景自然光变化的测量情况。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明中光电转换盘的结构示意图。

图中：1为非球面凸透镜，2为ccd阵列，3为压力传感器，4为数据采集电路，5为供电及控制电路，6为密封外壳，7为光电转换盘，8为配重块，9为平衡调节支杆，10为固定柱，11为o型环，12为水帆，13为底坠，14为侧支杆，15为主支撑杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种光电透明度仪，包括光电转换盘7、平衡调整机构、底坠13及支撑架，其中支撑架的下端与底坠13连接，上端与沿周向分布的多个光电转换盘7连接，多个光电转换盘7环绕于平衡调整机构的外侧、且均与平衡调整机构连接，光电转换盘7用于测量水下光场的向下辐亮度及记录测量时间。

支撑架包括主支撑杆15及多个侧支杆14，其中主支撑杆15的下端与底坠13连接，上端设有o型环11，多个侧支杆14呈发射状与o型环11连接，多个光电转换盘7分别设置于多个侧支杆14的端部。主支撑杆15上连接有水帆12。

光电转换盘7的数量为三个或三个以上，本发明的实施例中，光电转换盘7的数量为三个。

如图2所示，平衡调整机构包括配重块8、平衡调节支杆9及固定柱10，其中固定柱10通过多个平衡调节支杆9分别与多个光电转换盘7连接，各平衡调节支杆9上均螺纹连接有一配重块8，通过调节配重块8的位置实现光电转换盘7的平衡度调节。

进一步地，固定柱10内设有用于记录光电转换盘7的姿态信息和相应时间的姿态传感器。

如图3所示，光电转换盘7包括密封外壳6、供电及控制电路5、非球面凸透镜1、ccd阵列2、压力传感器3及数据采集电路4，其中供电及控制电路5、ccd阵列2、压力传感器3及数据采集电路4设置于密封外壳6内、且ccd阵列2设置于供电及控制电路5、数据采集电路4及压力传感器3的上方，非球面凸透镜1设置于密封外壳6的上方。水下光场的向下辐射量经非球面凸透镜1后，在ccd阵列2上转换为电信号，数据采集电路4采集该电信号的同时，也采集压力传感器3输出的水深数值，供电及控制电路5用于记录采样时间、深度和向下辐亮度强度。

ccd阵列2和压力传感器3的时间响应频率以及数据采集电路4的采集频率均大于1hz。

平衡调节支杆9和固定柱10均采用防腐材料，安装之后平衡调节支杆9之间为等长、等角度间隔，缆绳系留在固定柱10上，进行光电透明度仪的测量使用。固定柱10采用防海水封装，通过预先设置，在光电透明度仪使用时，通过其内的姿态传感器记录其姿态信息和相应时间，而且其测量姿态信息可通过计算机进行直读。

本发明的实施例中，配重块8与平衡调节支杆9都采用6h级的螺纹精度，并且配重块8上设有顶丝，以便于固定重块8在平衡调节支杆9上的相对位置。在完成光电转换盘7、平衡调节支杆9、固定柱10和o型环11间的安装后，再进行重块8位置的调节，配合固定柱10内姿态传感器的测量比对，尽可能使所有光电转换盘7在同一水平面上。

光电转换盘7与固定柱10中姿态传感器的采样时间和间隔一致，水下光场的向下辐射量经非球面凸透镜1后，在ccd阵列2上转换为电信号，数据采集电路4采集该电信号的同时，也采集压力传感器3输出的水深数值，最终，采样时间、深度和向下辐亮度强度记录于供电及控制电路5中。

非球面凸透镜1的材质密度大于常规水体密度，实现光疏介质折射进入光密介质的过程，并且能够使水体中向下或向上传输的漫散射光子在任意方向上都不平行于非球面凸透镜1的抛物面，其面型应满足：

其中，e为离心率，αi为高次非曲面系数，x为径向坐标，ρ为透镜曲面顶点的曲率。

ccd阵列2的光敏面小于非球面凸透镜1的平面部分，从而保证经由非球面凸透镜1折射后的光能覆盖ccd，而不会出现ccd闲置像元。ccd阵列2和压力传感器3的时间响应频率、以及数据采集电路4的采集频率均大于1hz。

在进行水下光场向下辐亮度测量时，安装光电转换盘7的数量为三个或三个以上，通过辐亮度数值比较和修正，消除系留缆绳在光电转换盘7存在阴影的影响。通过供电及控制电路5设置所有光电转换盘7时钟校准和工作时间一致。在使用前，光电转换盘7对自然光光谱上光强的转换进行统一定标校准，对于同一光场，光电转换盘7测量的辐亮度一致。

在该实施例中，利用光电透明度仪，测量水下光场信号强度及其变化，能够避除背景光变化和人眼差异对水体透明度测量的影响，获得更准确地计算水体透明度数据。通过三个或三个以上光电转换盘的同步测量，可实现不同安装位置处光电转换盘间的相互校准。在设备下放过程中系留缆绳旋转造成其阴影在不同光电转换盘7上变化，采用三个或三个以上光电转换盘7同步测量，能够利用相对位置处辐射量变化差异，对阴影导致的辐射量测量偏差进行校准。与现有的透明度测量仪器相比，能够有效避除仪器系留缆绳阴影和设备倾斜影响问题。光电透明度仪中光电转换盘的安装均是采用支杆进行硬性链接，因此使用过程中，中心固定柱的姿态即为各个光电转换盘的姿态，使用过程中同步记录光电透明度仪的姿态，可进行有效通光截面的计算，从而提高水体透明度测量的精度。

本发明提供的光电透明度仪，避免使用光电透明度仪时仪器倾斜和系留缆绳的阴影影响，通过非球面凸透镜接收广角光信号，通过ccd阵列实现光电转换，压力传感器的测量精度高于0.1米。本发明利用ccd感光元件对水下光场信号进行转换，获得水下光场中向下辐亮度随深度的变化，并通过三个或三个以上光电转换盘的相互校正，实现水体透明度计算，提高了水体透明度测量的准确性。

本发明的光电透明度仪具备测量效率高、抗实验环境干扰、确保测量精度等优点，从而解决水体透明度测量的不确定性问题。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。