一种水下光合有效辐射传感器设备浸没因子测量装置

1.本发明涉及海洋技术领域，尤其是涉及一种水下光合有效辐射传感器设备浸没因子测量装置。


背景技术：

2.水下光合有效辐射传感器用于测量可供浮游植物进行光合作用的光谱辐照度高低，是测量水下环境光和评估海洋真光层深度的重要工具。水下光合有效辐射传感器在使用过程中由于探测器老化、组件污损或灵敏度降低等原因，会发生基线漂移、校准系数失效等情况，从而导致测量误差超出允许范围，因此，需对传感器开展定期校准，以保障测量数据的准确性和可靠性。
3.水下光合有效辐射传感器的出厂校准都是在空气中进行，但当传感器浸泡于水下环境时，因空气与水体的光学折射率不同，原有的仪器校准系数必须进行修正后才能应用于水下环境，该修正系数称为浸没因子。
4.浸没因子测量理论思路是将一束光照射在传感器表面，根据传感器设备在空气中与刚好在水面之下的测量结果的比值来获取。专利cn1121610c公开了一种测量装置，里面将余弦校正器安装在积分球上，并在密封处做防水处理，然后将积分球固定于水箱底部的旋转架上，水箱上方放置平行光管，通过逐步减少水量来改变传感器表面到水面的距离。该装置只能校准余弦校正器材料，不能直接用于校准传感器。且所使用光束光强度和光谱调节困难，导致装置的适用范围窄，灵活性不够，测量结果重现性差。另外工作过程中会不断改变液面到光源的距离，导致测量条件不固定，影响了测量精度。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了提供一种水下光合有效辐射传感器设备浸没因子测量装置。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种水下光合有效辐射传感器设备浸没因子测量装置，包括：
8.沿光路依次设置的点光源、光阑、准直透镜、波长滤光片轮、强度滤光片轮、聚焦透镜、匀光棒和扩束准直镜；
9.监控探头和控制终端；
10.水箱，待测探头和电控升降台，所述电控升降台置于水箱中并驱动待测探头在水箱升降，所述待测探头和和电控升降台均连接子所述控制终端；
11.分束器，设于扩束准直镜之后，将射入的光束分为第一光束和第二光束分别照射至监控探头和待测探头。
12.所述电控升降台包括安装架、支杆和步进电机，所述支杆设于安装架、上，并沿安装架上下移动，所述步进电机的输出端连接支杆并驱动支杆运动，所述待测探头安装于支杆上，所述步进电机连接所述控制终端。
13.所述分束器为半透半反镜。
14.所述分束器与水平面的夹角为45度。
15.所述安装架的顶部位于近液面高度处。
16.所述安装架的顶部位于液面以上。
17.所述安装架位于水箱内的侧壁处。
18.所述点光源为发光灯泡。
19.所述控制终端被配置为执行以下步骤：
20.在全黑情况下，记录监控探头的背景读数rd和待测探头的背景读数rawd；
21.当所述点光源点亮并持续设定时长后，记录监控探头的基础读数r0；
22.控制电控升降台带动待测探头在水箱内的液面以下进行升降，并在各高度处分别采集监控探头的实验读数r1和待测探头的实验读数raw1；
23.将各高度对应的待测探头的实验读数raw1换算为修正读数；
24.基于各高度对应的待测探头的修正读数结合待测探头和点光源之间的光路距离推算出浸没因子。
25.所述待测探头的修正读数为：
[0026][0027]
其中：s1为待测探头的修正读数。
[0028]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0029]
1、通过波长滤光片轮和强度滤光片轮的转动可以实现波长和强度的调节，从而可以涵盖具有不同动态范围和灵敏度的待检设备(即待检探头)检测需要；通过六角形或圆形匀光棒调节出射光束端面内光强分布，实现高均匀度光强分布，可让待检探头中心轴线与光束中心轴线不必严格重合，也不必保持固定距离，可以大幅降低装调难度，特别是重复测量或批量测量过程中；通过电控升降台实现待测探头的升降，从而可以不改变水面与光源的距离，保持了测量条件恒定，减少了测量误差，并可以采用外推法推算出无限接近水面时的输出信号，提高浸没因子的准确度。
[0030]
2、分束器与水平面的夹角为45度，光线可以竖直向下射向待测探头，降低水体光折射影响。
[0031]
3、安装架位于水箱内的侧壁处，稳定性更高。
[0032]
4、监控探头与待测探头同时开始工作，监控探头将实时监控灯泡强度随时间的变化，并用于修正待检探头的读数，提高了测量的准确性。
附图说明
[0033]
图1为本发明的结构示意图；
[0034]
其中：1、点光源，2、光阑，3、准直透镜，4、波长滤光片轮，5、强度滤光片轮，6、聚焦透镜，7、匀光棒，8、扩束准直透镜，9、分束器，10、监控探头，11、水箱，12、安装架，13、支杆，14、步进电机，15、待检探头。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0036]
一种水下光合有效辐射传感器设备浸没因子测量装置，如图1所示，包括：
[0037]
沿光路依次设置的点光源1、光阑2、准直透镜3、波长滤光片轮4、强度滤光片轮5、聚焦透镜6、匀光棒7和扩束准直镜8，这部分的光路总体为水平向；
[0038]
监控探头10和控制终端16；
[0039]
水箱11，待测探头15和电控升降台，电控升降台置于水箱11中并驱动待测探头15在水箱11升降，待测探头15和和电控升降台均连接子控制终端16，其中，监控探头10和待测探头15的工作波长一致；
[0040]
分束器9，设于扩束准直镜8之后，将射入的光束分为第一光束和第二光束分别照射至监控探头10和待测探头15。
[0041]
电控升降台包括安装架12、支杆13和步进电机14，支杆13设于安装架12、上，并沿安装架12上下移动，步进电机14的输出端连接支杆13并驱动支杆运动，待测探头15安装于支杆13上，步进电机14连接控制终端16，并且，电控升降台各部件全部涂黑。
[0042]
本实施例中，波长滤光片轮4上装载有不同带通波段的滤光片。强度滤光片轮5上则装载有不同光密度的中性衰减片。
[0043]
本实施例中，匀光棒7材质为石英，孔径可以为圆柱形，六角形或锥形。
[0044]
本实施例中，水箱11为方体或圆柱体，水箱11上面开口，水箱11侧壁和底部均涂有光学消光漆，水箱11内有超纯水或标准海水。
[0045]
本实施例中，分束器9为半透半反镜，且分束器9与水平面的夹角为45度，光线可以竖直向下射向待测探头，避免折射发生角度改变。
[0046]
在一些实施例中，安装架12的顶部位于近液面高度处，但是在另一些实施例中，安装架12的顶部位于液面以上，这样可以得到更加接近水面的测试数据。此外，安装架12固定于水箱底部，安装架12上立有金属丝杆，丝杠上带有滚珠螺母。支杆的长度可调节，支杆一端带有螺母座连接器，可与滚珠螺母固定链接，另一端带有可固定待检设备的夹具，夹具带有转动环和锁死螺丝，可将含有待测探头15的待检设备固定在竖直朝上的位置。电控升降台的步进电机14为闭环控制类型，步进电机14可控制丝杆转动，进而控制支杆13和待检设备升降，步进电机14与控制终端16之间有通讯线缆，控制终端16指令控制步进电机14工作，并接收步进电机14传回的升降位移数据。
[0047]
本实施例中，安装架12位于水箱11内的侧壁处，点光源1为发光灯泡。可采用卤素灯，led灯或氙灯灯泡。
[0048]
本技术中，发光灯泡的出射光通过光阑孔后形成一个圆形光斑，光斑经透镜准直后分别由波长滤光片和光强衰减片调整输出波长和光强度，调整后的光再由另一个透镜聚焦射入匀光棒7中，入射光在匀光棒7内多次全内反射后，在匀光棒7的另一端面上各波长光强度均匀分布，再经过大口径透镜准直后射向分束器9。分束器9将入射光分成两份，一份穿过分束器9后被监控探头10接收，另一份被反射后竖直射向水箱11里的待测探头15。
[0049]
本技术中，待检设备被固定在电控升降台上，感光面竖直朝上，通过调整支杆13伸
缩调整待检设备水平位置，通过夹具转环微调感光面角度朝向，使得感光面垂直面向入射的光束。待检设备通过电控升降台改变与水面和光源的距离，待检设备输出的电信号则通过线缆传输到控制终端16。
[0050]
现有技术中，所用光源强度和波长调节不便，输出光束均匀性也不够，不能满足待检设备波长或强度响应差异检测需要，并且对待检探头的布放位置要求严格，这给重复测量或批量测量带来了很大的装调工作量。本技术中，可以通过转动波长滤光片轮4和强度滤光片轮5调节输出光波长和强度，从而可以涵盖具有不同动态范围和灵敏度的待检设备检测需要。匀光棒可匀化出射光束横截面的光强分布，从而可让待检探头中心轴线与光束中心轴线不必严格重合，也不必保持固定距离，可以大幅降低装调难度，特别是重复测量或批量测量过程中。
[0051]
实施时，首先在水平方向上布置可调节光源，将光阑2的出光口中心固定于准直透镜3的物方焦点位置，发光灯泡安装于光阑2的左侧；然后依次安装波长滤光片轮4和强度滤光片轮5，使得准直光路穿过两个轮子上的滤光片；聚焦透镜6放置于滤光片轮5的右侧；调节匀光棒7的位置，使得其入射端面与聚焦透镜6的像方焦面重合，出射端面与扩束准直镜8的物方焦面重合，分束器9倾斜45度放置于扩束准直镜8的像方空间内。
[0052]
点亮点光源1后，光线穿过光阑2，经准直透镜3变成平行光，平行光的波长和强度可分别由滤光片轮4和强度滤光片轮5根据需要调控；平行光穿过波长滤光片轮4和强度滤光片轮5后，被聚焦透镜6汇聚到匀光棒7入射断面上，然后经过匀光棒7内多次全内反射，光在匀光棒7的出射断面上的强度均匀分布，扩束准直镜8将光进一步扩束准直后射向分束器9；分束器9将均匀准直光分成两份，一份平行穿过分束器后被监控探头10接收，另一份垂直射向水箱11内的待测探头15的感光面上。
[0053]
待测探头15固定在支杆13的夹具中，支杆13在安装架12的上下移动由步进电机14控制。安装架12固定安装在水箱11的靠近侧壁位置。水箱11内带有超纯水或标准海水，待检探头15，支杆13，安装架12和步进电机14全部淹没水面之下，待检探头15与水面的距离由步进电机14控制，步进电机14，待检设备15和监控探头10均由控制终端16控制，每个距离处的待检设备数据、监控探头数据和距离数据最终均由控制终端16读取和处理。测完一个周期后，可调整波长滤光片轮4和强度滤光片轮5，切换到其它光波长或强度条件下开展下一轮测试。
[0054]
此外，控制终端16被配置为执行以下步骤：
[0055]
在全黑情况下，记录监控探头10的背景读数rd和待测探头15的背景读数rawd；
[0056]
当点光源1点亮并持续设定时长后，记录监控探头10的基础读数r0；
[0057]
控制电控升降台带动待测探头15在水箱11内的液面以下进行升降，并在各高度处分别采集监控探头10的实验读数r1和待测探头15的实验读数raw1；
[0058]
将各高度对应的待测探头15的实验读数raw1换算为修正读数；
[0059]
基于各高度对应的待测探头15的修正读数结合待测探头15和点光源1之间的光路距离推算出浸没因子。
[0060]
待测探头15的修正读数为：
[0061]
[0062]
其中：s1为待测探头15的修正读数。
[0063]
其中，浸没因子的推算过程如下：待测探头15正对光源射出的均匀平行光，在无水条件下，探测器在与光源不同距离位置处的修正读数是不变的，记录此时的信号为j0。水箱注水后，变动探测器与光源距离，测量信号随着距离改变；记录不同水深处的测量信号，通过最小二乘拟合方法建立二者关系，然后推算出当水深刚好为0时的信号值，记为j1。浸没因子＝j0/j1。
[0064]
上述控制终端实现的功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0065]
另外本技术的准确性更高：主要体现在两点：
[0066]
1、浸没因子的测量需要获取待检设备设备刚好在水面之下时的数据，这可以通过调整待检设备与水面的距离，记录不同位置处的输出信号，然后采用外推法推算出无限接近水面时的输出信号，整个测量过程中其他条件必须保持不变。现有技术中，距离调整依靠逐渐减少水箱里的水量，然后用量尺测量水位，但这种做法改变了水面与光源的位置关系，导致测量条件不恒定，增大了测量误差。本技术中，待检设备与水面的距离是通过浸没在水体中的电控升降架来调整，调整过程中，水量并未减少，水面与光源的距离保持不变，从而降低了测量条件改变带来的误差。
[0067]
2、测量过程中，发光灯泡强度会发生变化，特别是氙灯光源，现有技术中均未修正光源光强波动带来的影响。本发明中，设置的监控探头与待测设备同时开始工作，监控探头将实时监控灯泡强度随时间的变化，并用于修正待检设备的读数，这将提高测量的准确性。修正步骤如下：
[0068]
在全黑环境下，记录待检设备和监控探头各自的背景读数，分别记为rawd和rd
[0069]
开启灯泡，调节强度滤片，预热15分钟后，记录监控探头读数(记为r0)。
[0070]
开始测试，记录待检探头和监控探头读数，分别记为raw1和r1；
[0071]
按照下式对待检探头的读值raw1进行修正，修正后的读值记为s1.
[0072]
另外操作更简便：主要体现在两点：
[0073]
1、现有技术中，射向水箱的光束光能量分布不均，中心区域强，边缘区域弱，这导致每次测量时，都需要仔细调教待检设备，保证待检设备感光面的中心轴线对准光束的同一位置。本发明中，由于匀光棒可以对多波长光源进行强度匀化，经准直后射向水箱的光束光能量均匀分布，光束横截面上各点能量一样，待检设备在光束内不同横向距离读值都一样，所以只需待检设备在光束范围中即可，大大提升了装调简便性，特别是批量测试或重复性测试的场合。
[0074]
2、现有技术中，待检设备与水面距离数据为人工读取量尺，操作不便，误差较大。本发明中由步进电机测量和记录距离信息，并直接输出到控制终端16，提高了便利性和测
量精度。