專利名稱：浮游植物粒徑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一浮游植物粒徑測(cè)量裝置，該裝置應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量海水中浮游植物粒 徑尺寸，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海水中浮游植物的粒徑分布和粒子濃度。
背景技術(shù)：
目前，浮游植物粒徑測(cè)量方法主要有顯微鏡計(jì)數(shù)法、圖像分析法、庫(kù)爾特計(jì)數(shù)法、 流式細(xì)胞術(shù)法。顯微鏡計(jì)數(shù)法是在顯微鏡下觀測(cè)浮游植物細(xì)胞的尺寸、形狀；圖像分析法是 根據(jù)細(xì)胞幾何形態(tài)信息，利用計(jì)算軟件計(jì)算浮游植物粒徑；庫(kù)爾特計(jì)數(shù)法是利用浮游植物 細(xì)胞通過(guò)位于恒電流電極體系中的測(cè)量孔徑時(shí)，引起突變的電阻增加及相應(yīng)的電極間的電 位差變化，由電位差的變化推算浮游植物的粒徑。上述三種測(cè)量方法都需要復(fù)雜的海水樣 本預(yù)處理過(guò)程，不能勝任現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量。流式細(xì)胞術(shù)法利用浮游植物所含葉綠素?zé)晒夂蜕?射來(lái)分析浮游植物的光學(xué)特征，浮游植物細(xì)胞的粒徑采用前向散射和細(xì)胞體積間的經(jīng)驗(yàn)公 式獲得。該方法要求被測(cè)細(xì)胞通過(guò)觀察點(diǎn)的位置精度小于ι μ m,且需要穩(wěn)定的流速，因此該 方法也很難應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。香港浸會(huì)大學(xué)陳啟堯博士提出了雙束激光熒光多普勒法，該方法是應(yīng)用激光激發(fā) 葉綠素?zé)晒夂图す獠罘侄嗥绽諟y(cè)速兩種技術(shù)結(jié)合來(lái)測(cè)量浮游植物粒徑。具體是由多普勒信 號(hào)測(cè)量浮游植物粒子流經(jīng)被測(cè)水體的速度，由熒光信號(hào)得到粒子橫穿被測(cè)體積所需時(shí)間， 從而計(jì)算出流經(jīng)被測(cè)水體的浮游植物粒徑的尺寸。因粒徑的測(cè)量與折射率及熒光強(qiáng)度無(wú) 關(guān)，且不要求恒定的流速，使得該方法適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是采用雙束激光熒光多普勒法，提供一種現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量浮游植物粒 徑尺寸，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)從而連續(xù)監(jiān)測(cè)海水中浮游植物粒徑分布及粒子濃度的裝置。本裝置包括激光器、水上激光光纖耦合裝置、水下光學(xué)測(cè)量裝置、水上數(shù)據(jù)采集和 控制裝置。水上激光光纖耦合裝置通過(guò)單模光纖將輸入激光傳輸至水下的光學(xué)測(cè)量裝置， 水下光學(xué)測(cè)量裝置輸出的光信號(hào)通過(guò)多模光纖傳輸至水上數(shù)據(jù)采集和控制裝置。水下光學(xué)測(cè)量裝置包括輸入激光信號(hào)接收裝置、輸出熒光信號(hào)接收裝置和差分多 普勒信號(hào)接收裝置三部分。輸入激光信號(hào)接收裝置中有準(zhǔn)直透鏡、分束裝置和聚焦透鏡，對(duì) 輸入的激光信號(hào)準(zhǔn)直、分光、聚焦，形成干涉條紋，構(gòu)成測(cè)量區(qū)域。輸出熒光信號(hào)接收裝置和 差分多普勒信號(hào)接收裝置中都有聚焦透鏡，將測(cè)量信號(hào)成像于多模光纖內(nèi)。光學(xué)測(cè)量探頭 完全密封在一不銹鋼長(zhǎng)方體框架密封艙內(nèi)，測(cè)量時(shí)完全沉入水下。水上的數(shù)據(jù)采集和控制裝置由光電倍增管構(gòu)成的光電檢測(cè)單元、基于DSP的PCI 數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成。數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)中的程序使裝置自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理 和連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的控制，可實(shí)時(shí)、連續(xù)顯示浮游植物的粒徑分布和海水中粒子濃度。本發(fā)明的水下光學(xué)測(cè)量裝置，完全采用光學(xué)結(jié)構(gòu)，水上、水下信號(hào)的傳輸采用單模 和多模光纖完成，水下的光學(xué)測(cè)量裝置完全不需要供電，可長(zhǎng)時(shí)間工作于水下；采用基于DSP的的PCI數(shù)據(jù)采集與控制裝置，保證了數(shù)據(jù)采集和處理的實(shí)時(shí)性。


圖1為是裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為分光裝置結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1.激光器2.耦合裝置3.透鏡4.光纖連接頭5.單模光纖6.輸 入激光信號(hào)接收裝置7.準(zhǔn)直透鏡8.激光分束裝置9.聚焦透鏡10.差分多普勒信 號(hào)接收裝置11.測(cè)量體積12.熒光信號(hào)接收裝置13.密封艙14多模光纖15.數(shù) 據(jù)采集控制裝置 16.光電檢測(cè)單元 17.數(shù)據(jù)采集卡 18.計(jì)算機(jī) 19.橫向分束器 20.平行四方體玻璃21.入射激光束22.出射激光束
具體實(shí)施例方式本測(cè)量裝置分水上和水下兩部分。水上部分由激光器1、耦合裝置2以及數(shù)據(jù)采集 控制裝置15組成；水下部分是密封在密封艙13中的由輸入激光信號(hào)接收裝置6、熒光信號(hào) 接收裝置12和差分多普勒信號(hào)接收裝置10組成的光學(xué)測(cè)量裝置。分別由單模光纖5和多 模光纖14傳輸輸入和輸出光信號(hào)。水下的光學(xué)測(cè)量探頭完全密封在探頭密封艙13內(nèi)，探頭密封艙13采用不銹鋼框 架，外殼呈長(zhǎng)方體，密封艙中間開有中空的長(zhǎng)方筒體，四壁加工對(duì)稱的玻璃窗口，測(cè)量時(shí)裝 置完全沉入水中。測(cè)量時(shí)，激光器1產(chǎn)生的532nm的單模高斯光束，經(jīng)由透鏡3和光纖連接頭4組成 的耦合調(diào)整裝置2耦合至單模光纖5，經(jīng)單模光纖5將輸入激光傳輸至水下輸入激光信號(hào) 接收裝置6。在水下輸入激光信號(hào)接收裝置6中，輸入的激光由準(zhǔn)直透鏡7準(zhǔn)直，再經(jīng)激光 分束裝置8分成兩準(zhǔn)直相干激光出射光束22，這兩束相干光束由聚焦透鏡9聚焦，透過(guò)測(cè) 量玻璃窗口在密封艙13外的測(cè)量水體中相交，形成干涉條紋的交叉區(qū)域構(gòu)成測(cè)量體積11。 在偏離入射光束90度的方向上由熒光信號(hào)接收裝置12接收激發(fā)熒光信號(hào)，同時(shí)，在和入射 光束成90度的另一側(cè)即和接受熒光信號(hào)相反的方向上由輸出差分多普勒信號(hào)接收裝置10 接收激光差分多普勒信號(hào)。熒光信號(hào)和差分多普勒信號(hào)經(jīng)多模光纖14分別傳送至水上數(shù) 據(jù)采集控制裝置15進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和控制。激光分束裝置8由橫向分束器19和平行四方體玻璃20構(gòu)成。平行四方體玻璃20 將準(zhǔn)直后入射激光束21平移10mm，再經(jīng)橫向分束器19分束，使分束后兩輸出激光束22對(duì) 稱于原入射激光束21，此裝置即使輸入光束發(fā)生了偏振方向的改變，兩輸出平行激光束的 強(qiáng)度也不會(huì)發(fā)生變化。水上數(shù)據(jù)采集控制裝置15由光電檢測(cè)單元16、數(shù)據(jù)采集卡17以及計(jì)算機(jī)18構(gòu) 成。多模光纖14傳輸來(lái)的熒光信號(hào)和差分多普勒信號(hào)分別由光電倍增管構(gòu)成的光電檢測(cè) 單元16進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大，輸入到基于DSP的PCI數(shù)據(jù)采集卡17采集數(shù)據(jù)，采集的 數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理。裝置工作時(shí)，采集的差分多普勒信號(hào)和激光熒光信號(hào)在時(shí)間上同步，激光熒光信 號(hào)用于數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)。2K預(yù)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集循環(huán)操作同時(shí)應(yīng)用于差分多普勒信號(hào)和激光熒 光信號(hào)采集。采集到的激光熒光信號(hào)和設(shè)定的閾值實(shí)時(shí)比較，一旦發(fā)現(xiàn)激光熒光信號(hào)大于預(yù)先設(shè)置的閾值，激光熒光信號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡將觸發(fā)差分多普勒信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)完成后續(xù)6K差分多普勒信號(hào)和激光熒光信號(hào)的采集。采樣數(shù)據(jù)的總量包括預(yù)觸發(fā)的2K數(shù)據(jù)是 8K。數(shù)據(jù)采集一旦完成，數(shù)據(jù)采集卡上的一個(gè)DSP將對(duì)采集到的差分多普勒信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行 快速的傅立葉變換得到激光多普勒頻率。同時(shí)，檢測(cè)激光熒光信號(hào)的峰值，進(jìn)而得到脈沖的 時(shí)間寬度，該脈沖寬度也就是浮游植物粒子經(jīng)過(guò)測(cè)量水體的時(shí)間t。由多普勒頻率推算出的 浮游植物粒子速度V，按公式D = Vt-W計(jì)算出浮游植物粒子的粒徑，其中W是測(cè)量體積11 處激光束的寬度。計(jì)算機(jī)中的程序自動(dòng)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示粒徑統(tǒng)計(jì)分布曲線及該次統(tǒng)計(jì)的平 均流速、流量等信息。實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由外部按鍵控制監(jiān)測(cè)過(guò)程是否結(jié)束。
應(yīng)用本發(fā)明，可實(shí)現(xiàn)浮游植物粒徑尺寸現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量，可連續(xù)監(jiān)測(cè)海水中浮游植 物的粒徑分布粒子濃度。
權(quán)利要求
水中浮游植物粒徑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置，它包括激光器(1)、水上激光光纖耦合裝置(2)、水下光學(xué)測(cè)量裝置(13)以及包含軟件的水上數(shù)據(jù)采集和控制裝置(15)。其特征在于水下光學(xué)測(cè)量裝置包括輸入激光信號(hào)接收裝置(6)、輸出熒光信號(hào)接收裝置(12)和差分多普勒信號(hào)接收裝置(10)，完全采用光學(xué)器件測(cè)量，不需供電；由單模光纖(5)傳輸入射激光信號(hào)到水下，由多模光纖(14)接收測(cè)量的熒光信號(hào)和差分多普勒信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其特征是水下光學(xué)測(cè)量測(cè)量裝置(13)中的輸入激 光信號(hào)接收裝置(6)由準(zhǔn)直透鏡(7)、分束裝置(8)和聚焦透鏡(9)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量裝置，其特征是分束裝置(8)是由橫向分束器(19) 和平行四方體玻璃(20)構(gòu)成的一體式結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其特征是選用波長(zhǎng)532nm，功率150mw的單縱模激 光器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其特征是輸出熒光信號(hào)的接收方向?yàn)榕c入射激光 束方向成90度，輸出差分多普勒信號(hào)的接收方向與熒光信號(hào)的接收方向相反。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其特征是在于水下光學(xué)測(cè)量裝置(13)完全密封在 一不銹鋼長(zhǎng)方體框架密封艙內(nèi)，測(cè)量時(shí)完全沉入水下。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其特征是水上數(shù)據(jù)采集和控制裝置(15)按預(yù)設(shè)定 時(shí)間自動(dòng)循環(huán)進(jìn)行浮游植物粒徑分布的統(tǒng)計(jì)，并自動(dòng)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示統(tǒng)計(jì)分布曲線及該次 統(tǒng)計(jì)的平均流速、流量信息。
全文摘要
本發(fā)明是一水中浮游植物粒徑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置。裝置由一個(gè)水下光學(xué)測(cè)量裝置和水上光纖耦合裝置及數(shù)據(jù)采集控制裝置構(gòu)成。用單模光纖將激光導(dǎo)入水下光學(xué)測(cè)量裝置，在兩相干交叉激光束兩側(cè)與激光束傳輸方向成90度的方向上分別接收浮游植物發(fā)出的熒光信號(hào)和差分多普勒信號(hào)，并經(jīng)多模光纖分別傳送至水上的光電檢測(cè)單元和數(shù)據(jù)采集卡，計(jì)算機(jī)中的程序自動(dòng)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示粒徑統(tǒng)計(jì)分布曲線及該次統(tǒng)計(jì)的平均流速、流量等信息。此裝置測(cè)量不受水流速度影響，水下光學(xué)測(cè)量裝置完全采用光學(xué)器件，光纖傳輸測(cè)量信號(hào)，探頭不需供電，該裝置適于長(zhǎng)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量浮游植物的粒徑分布和粒子濃度。
文檔編號(hào)G01N15/06GK101957302SQ20101028663
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者楊茹君, 王旭柱, 葛玉榮, 陳啟堯 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋大學(xué)