一种内置防生物附着功能的水下光合有效辐射传感器装置

1.本发明涉及海洋技术领域，尤其是涉及一种内置防生物附着功能的水下光合有效辐射传感器装置。


背景技术：

2.水下光合有效辐射传感器装置用于评价可供浮游植物进行光合作用的太阳光辐照度高低，是测量水下环境光场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水下的工作深度不超过100m，这个水深领域存在大量海洋生物，如各种浮游生物、微生物、贝类和海藻等，特别是在生产力丰富的近海和湖泊等领域。在持续工作时，设备的光学观测面极易被各种海洋生物或菌膜附着，减少或阻挡了对环境光的观测，这严重影响了测量的可靠性。此外水下光合有效辐射传感器测量的是水下180度或更大角度范围内的环境光场，周边不能有明显的遮挡，距离船舶、岛屿和安装支架应尽可能远，以减少遮挡物阴影效应带来的测量误差。
3.深紫外光是一种有效的防生物附着措施，250nm到280nm的深紫外光达到足够的强度后，可以直接杀灭海洋生物或让其失去繁殖能力，中国专利cn112456613a、cn112629566a和cn112456610a公开了一些基于紫外光照射或电解氯气等防生物附着的装置和方法，但这些装置都需要在测量仪器外部增设专门的防附着措施。海水里除了水分子，还含有大量的溶解性有(无)机物和不溶的悬浮颗粒物等，导致海水对深紫外光吸收衰减作用比干净的水要强烈很多，尤其是在浑浊的水域，为减少海水的衰减，保证落在待保护面上的紫外光强度足够，外置的紫外光照射设施除了设法加大供电功率，还必须与光合有效辐测量装置靠的很近，甚至紧贴，结果造成的阴影效应十分明显，这严重影响了光合有效辐射的测量准确性；外置的电解氯气装置也存在类似缺陷，且产生的气泡会干扰待测水环境光场情况，都不适用于光合有效辐射传感器。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了提供一种内置防生物附着功能的水下光合有效辐射传感器装置。核心技术路线是对现有光合辐射传感器进行改造，将紫外光源内置于光合有效辐射传感器，杜绝外部防附着措施带来的阴影效应，使得传感器的光学观测面在接收周边太阳光的同时，自身也发出具有灭活功能的紫外光，进而阻止或减少光学观测面上的海洋生物附着或菌膜生成，为实现该路线，将创新性的引入分叉光纤束，充分利用光纤的灵活方便和余弦双向传输特点。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种内置防生物附着功能的水下光合有效辐射传感器装置，包括含有一开口的防水外壳以及设于防水外壳开口处的余弦校正器，所述装置还包括分叉光纤束、控制器、紫外光源、滤光片和光合有效辐射探测器，所述紫外光源和光合有效辐射探测器均连接至控制器；
7.所述分叉光纤束包括第一分叉支和第二分叉支，所述第二分叉支包括多根光纤芯，所有光纤芯的材质和光收发角度均相同，在分叉光纤束朝向余弦校正器的一端，所述第二分叉支的各个光纤芯环绕于第一分叉支的光纤芯的外侧设置，所述第一分叉支内光纤芯的另一端连接至光合有效辐射探测器，且所述滤光片位于光合有效辐射探测器和第一分叉支之间，所述第二分叉支内光纤芯的另一端连接至紫外光源上。
8.所述分叉光纤束还包括第三分叉支，所述装置还包括紫外探测器，所述第三光纤芯内光纤芯的另一端连接至紫外探测器，所述紫外探测器连接所述控制器，且所述第二分叉支的各个光纤芯环绕于第一分叉支和第三分叉支的光纤芯的外侧设置。
9.所述余弦校正器为球面型余弦校正器。
10.所述余弦校正器为半球型余弦校正器。
11.所述余弦校正器为平面型余弦校正器。
12.所述滤光片为可见光滤光片。
13.一种内置防生物附着功能的水下光合有效辐射传感器装置，包括含有一开口的防水外壳以及设于防水外壳开口处的余弦校正器，所述装置还包括分叉光纤束、控制器、紫外光源、紫外可见微型光谱仪，所述紫外可见微型光谱仪连接至控制器；
14.所述分叉光纤束包括第一分叉支和第二分叉支，所述第二分叉支包括多根光纤芯，所有光纤芯的材质和光收发角度均相同，在分叉光纤束朝向余弦校正器的一端，所述第二分叉支的各个光纤芯环绕于第一分叉支的光纤芯的外侧设置，所述第一分叉支内光纤芯的另一端连接至紫外可见微型光谱仪，所述第二分叉支内光纤芯的另一端连接至紫外光源上。
15.所述装置还包括水密接头，该水密接头设于防水外壳上，所述控制器通过该水密接头对外连接。
16.所述防水外壳包括主体和一端连通所述主体的突出部，所述开口位于突出部的另一端上。
17.所述防水外壳为不透光外壳。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
19.1、将紫外光源和紫外探测器内置于光合有效辐射传感器，并通过分叉光纤的方式与光合有效辐射探测器协同工作。本发明在有效防止生物附着的同时，从根本上杜绝了外置防生物附着措施带来的阴影效应，从而减少了测量误差源。且因光纤传输的光损耗远远小于海水水体，相比于外置紫外光照射，内置方式还可大大降低紫外光源功耗。
20.2、内置的紫外探测器可以实时侦测水体环境变化或光源发光波动带来的紫外光强波动，并反馈给控制器，控制器可以根据紫外探测器监控信号，调整紫外光源发光强弱，实现节能和智能化工作。
21.3、引入的分叉光纤束，光的收发端面紧凑，结构更加灵活，部署调试也更加简单。传统的光合有效辐射传感器则采用空间光路，直接将光合有效辐射探测器置于余弦校正器下方，探测器与余弦校正器之间不能有遮挡物，这限制了紫外光源和监控探测器的布放。
22.4、第二分叉支的多芯光出射方式有助于射出的紫外光叠加混合，光出射芯环绕光接收芯方式有助于发射光与接收光的空间范围重叠，以实现杀灭范围的有效覆盖。
附图说明
23.图1为本发明实施例1的结构示意图；
24.图2为本发明实施例2的结构示意图；
25.图3为本发明实施例1和实施例2中分叉光纤束主端面的光线芯的分布示意图；
26.图4为本发明实施例3的结构示意图；
27.图5为本发明实施例3中分叉光纤束主端面的光线芯的分布示意图；
28.其中：1、余弦校正器，2、防水外壳，3、分叉光纤束，4、紫外光源，5、紫外探测器，6、滤光片，7、光合有效辐射探测器，8、控制器，9、水密接头，10、紫外可见微型光谱仪。
具体实施方式
29.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。
30.实施例1
31.一种内置防生物附着功能的水下光合有效辐射传感器装置，如图1所示，包括含有一开口的防水外壳2以及设于防水外壳2开口处的余弦校正器1，装置还包括分叉光纤束3、控制器8、紫外光源4、滤光片6和光合有效辐射探测器7，紫外光源4和光合有效辐射探测器7均连接至控制器8；
32.如图3所示，分叉光纤束3包括第一分叉支和第二分叉支，第二分叉支包括多根光纤芯，所有光纤芯的材质和光收发角度均相同，在分叉光纤束3朝向余弦校正器的一端，第二分叉支的各个光纤芯环绕于第一分叉支的光纤芯的外侧设置，第一分叉支内光纤芯的另一端连接至光合有效辐射探测器，且滤光片6位于光合有效辐射探测器和第一分叉支之间，第二分叉支内光纤芯的另一端连接至紫外光源4上。第二分叉支的多芯光出射方式有助于射出的紫外光叠加混合，光出射芯环绕光接收芯方式有助于发射光与接收光的空间范围重叠，以实现杀灭范围的有效覆盖。
33.本实施例中，分叉光纤束3还包括第三分叉支，装置还包括紫外探测器5，第三光纤芯内光纤芯的另一端连接至紫外探测器5，紫外探测器连接控制器8，且第二分叉支的各个光纤芯环绕于第一分叉支和第三分叉支的光纤芯的外侧设置。
34.将紫外光源4内置于光合有效辐射传感器，并通过分叉光纤的方式与光合有效辐射探测器协同工作，本发明在有效防止生物附着的同时，从根本上杜绝了外置防生物附着措施带来的阴影效应，从而减少了误差源。
35.余弦校正器1由防水漫透射材料构成，外形可以为球形，半球形或平面形状。本实施例中，余弦校正器1采用球面型余弦校正器。紫外光通过分叉支传入光纤后校正发散射出，光纤头与余弦校正器有一定距离，光射入到球壳状或半球壳的余弦校正器1后，一部分直接穿过余弦校正器射入水中，另一部分会在余弦校正器1内表面多次反射和透射，从而余弦校正器外表面各个位置都会有紫外光射出，射出光不再回收。
36.分叉光纤束3的第二分叉支的光纤芯可以将紫外光源发射光传输到余弦校正器1上；在分叉光纤3收发总端面上，与紫外光源4连通的光纤芯分布于端面外围，第一分叉支和第三分叉支的光纤芯则位于中央区域。
37.防水外壳2包括主体和一端连通主体的突出部，开口位于突出部的另一端上，防水外壳2为不透光外壳。
38.紫外光源4可以发射中心波长在250nm或280nm波段的紫外光，并通过分叉光纤束3将光传输到余弦校正器1，被校正器匀化后射出到水中。
39.紫外探测器4可以接收从水体和余弦校正器1内表面反射的紫外光强度，并反馈给控制器8。滤光片6为可见光滤光片。
40.控制器8可以接收紫外光探测器和光合有效辐射探测器的电流信号。控制器8根据紫外探测器反馈的信号，来监控紫外光强弱和调节紫外光源的供电。控制器还可以通过水密接头9与外部上位机通讯。
41.将装置放入海水中后，水下来自各方向的环境光透过余弦校正器1外表面，被匀化后射向分叉光纤束3，分叉光纤束3将光传输到3个分叉光纤支，其中一个分叉支的光穿过滤光片6，并由光合有效辐射探测器7接收，并转成电流信号传入控制器8中，控制器8对信号进行处理和储存，控制器8也可以通过水密接头9与上位机进行通讯。
42.同时，紫外光源4发射的紫外光可以透过余弦校正器1内表面，被匀化后从各个角度射出到周边水中。余弦校正器1紫外光源可以发射中心波长在250nm或280nm波段的紫外光，并通过分叉光纤束3将光传输到余弦校正器1，被余弦校正器1匀化后射出到水中。紫外探测器5可以接收从水体和余弦校正器1内表面反射的紫外光强度，并反馈给控制器8。控制器根据紫外探测器5反馈的信号，来监控紫外光强弱和调节紫外光源的供电。本发明支持的余弦校正器的具体实施方式有多种，除了球面，还有半球面或平面类型。图2展示了平面类型。两个具体实施方式中的光纤均为3分叉型，图3展示了光纤束端面各光纤芯的分布，端面上的实心圆代表第二分叉支内的多个光纤芯，这些光纤芯来自于连接紫外光源4的光纤分叉支，端面上的空心圆代表第一分叉支和第三分叉支的光纤芯，它们分别来自于连接紫外探测器和光合有效辐射探测器的光纤分叉支。特别说明，向余弦校正器发射紫外光的光纤芯实心圆数量不限，但都应分布于接收光的光纤芯空心圆外围。
43.实施例2
44.本实施例与实施例1的区别在于，如图2所示，本实施例中，余弦校正器1为平面型余弦校正器。光纤射出的发散紫外光可以直接覆盖余弦校正器1平面后射出到水中。此外，在其他实施例中，余弦校正器1也可以采用半球型余弦校正器。
45.实施例3
46.本实施例提供了一种内置防生物附着功能的水下光合有效辐射传感器装置，如图4所示，包括含有一开口的防水外壳2以及设于防水外壳2开口处的余弦校正器1，装置还包括分叉光纤束3、控制器8、紫外光源4、紫外可见微型光谱仪10，紫外可见微型光谱仪10连接至控制器8；
47.分叉光纤束3包括第一分叉支和第二分叉支，第二分叉支包括多根光纤芯，所有光纤芯的材质和光收发角度均相同，在分叉光纤束3朝向余弦校正器的一端，第二分叉支的各个光纤芯环绕于第一分叉支的光纤芯的外侧设置，第一分叉支内光纤芯的另一端连接至紫外可见微型光谱仪10，第二分叉支内光纤芯的另一端连接至紫外光源4上。
48.装置还包括水密接头9，该水密接头9设于防水外壳2上，控制器8通过该水密接头9对外连接。
49.防水外壳2包括主体和一端连通主体的突出部，开口位于突出部的另一端上，防水外壳2为不透光外壳。
50.如图4所示，紫外可见微型光谱仪10可以在测量光合有效辐射的同时，监控紫外光强度，相应的分叉光纤束为二分叉。光纤芯在端面上的分布如图5所示。端面上的实心圆代表第二分叉支的多个光纤芯，这些光纤芯来自于连接紫外光源的光纤分叉支，端面上的一个空心圆代表第一分叉支内的光纤芯，它来自于连接紫外可见微型光谱仪10的光纤分叉支。特别说明，向余弦校正器发射紫外光的光纤芯实心圆数量不限，但都应分布于接收光的光纤芯空心圆外围。