專利名稱：海水葉綠素垂直分布濃度的遙測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)電子測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種海水葉綠素垂直分布濃度的遙測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
葉綠素濃度是反應(yīng)海洋浮游植物密度的一個(gè)重要指標(biāo)，通過對(duì)水中葉綠素濃度的測(cè)量可以監(jiān)視赤潮和水質(zhì)環(huán)境狀況。此外，葉綠素濃度的含量還可以作為估算海洋初級(jí)生產(chǎn)力的重要依據(jù)。海水葉綠素濃度測(cè)量主要有定點(diǎn)取樣實(shí)驗(yàn)室測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)走航測(cè)量和大面積遙感測(cè)量。 定點(diǎn)取樣測(cè)量具有取樣困難、實(shí)時(shí)性差、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)走航測(cè)量和大面積遙感測(cè)量能進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，其中，現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)走航測(cè)量利用船只拖曳探頭實(shí)現(xiàn)測(cè)量，這種測(cè)量方式需將頭部裝有探頭的光纖伸入海洋底部進(jìn)行測(cè)量，雖然能將探頭伸入不同深度，做出葉綠素垂直廓線，但由于依賴光纖傳遞信號(hào)，給測(cè)量帶來不便；而大面積遙感測(cè)量雖然可以實(shí)現(xiàn)快速、高精度、大面積測(cè)量海洋表層葉綠素濃度，但對(duì)垂直方向不同深度的葉綠素測(cè)量具有一定的局限性。目前，激光誘導(dǎo)熒光法在水體葉綠素濃度測(cè)量方面得到了應(yīng)用，這種方法是利用激光照射水體，激發(fā)水體中葉綠素分子發(fā)射熒光信號(hào)，接收熒光信號(hào)后對(duì)其進(jìn)行分析得出水體葉綠素的濃度。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明目的在于提供一種海水葉綠素濃度的遙測(cè)系統(tǒng)，它不僅能解決海水葉綠素濃度在垂直方向上的分布問題，同時(shí)具有方便、快速、實(shí)時(shí)測(cè)量的特點(diǎn)。本發(fā)明提出的一種海水葉綠素垂直分布濃度的遙測(cè)系統(tǒng)，包括激光光源I、調(diào)制器2、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡3、接收望遠(yuǎn)鏡4、濾波器5、光電轉(zhuǎn)換器6和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7,激光光源I的出光口對(duì)準(zhǔn)調(diào)制器2的進(jìn)光口，調(diào)制器2的出光口對(duì)準(zhǔn)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡3的進(jìn)光口，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡3的出光口對(duì)準(zhǔn)接收望遠(yuǎn)鏡4的進(jìn)光口，接收望遠(yuǎn)鏡4連接濾波器5，濾波器5連接光電轉(zhuǎn)換器6,光電轉(zhuǎn)換器6將濾波器5輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),光電轉(zhuǎn)換器6連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；其中
所述發(fā)射望遠(yuǎn)鏡3由可移動(dòng)凸透鏡8和固定凸透鏡9組成，可移動(dòng)凸透鏡8的出光口對(duì)準(zhǔn)凸透鏡9的進(jìn)光口，可移動(dòng)凸透鏡8和固定凸透鏡9的光軸放置在同一直線上，可移動(dòng)凸透鏡8固定沿此直線運(yùn)動(dòng)；
所述接收望遠(yuǎn)鏡4由一小型凹面鏡10和環(huán)形凹面鏡11組成，環(huán)形凹面鏡11面向海水表面安裝，小型凹面鏡10面向環(huán)形凹面鏡11安裝，小型凹面鏡10與環(huán)形凹面鏡11間的距離為兩者焦距之和。
本發(fā)明中，所述的激光光源I采用脈沖激光器。本發(fā)明中，所述的調(diào)制器2將入射激光進(jìn)行帶寬調(diào)節(jié)。本發(fā)明中，所述的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡3由可移動(dòng)凸透鏡8和固定凸透鏡9組成。可移動(dòng)凸透鏡8和固定凸透鏡9的光軸放置在同一直線上，可移動(dòng)凸透鏡8沿此直線運(yùn)動(dòng)，從而改變可移動(dòng)凸透鏡8與固定凸透鏡9之間的距離。由凸透鏡成像原理可知
上+丄=士，其中，為物距，為像距，,為凸透鏡的焦距。平行光束經(jīng)過可移動(dòng)凸透鏡后UVJuVJ
會(huì)聚在其焦點(diǎn)上，并射向固定凸透鏡，光線經(jīng)過固定凸透鏡后再次會(huì)聚。由凸透鏡成像原理可知，可移動(dòng)凸透鏡焦點(diǎn)與固定凸透鏡中心點(diǎn)的距離為物距< 固定凸透鏡中心點(diǎn)與最終光線會(huì)聚點(diǎn)的距離為像距V，由于物距的倒數(shù)與像距的倒數(shù)之和等于焦距的倒數(shù)，因此發(fā)射望遠(yuǎn)鏡可以通過調(diào)節(jié)可移動(dòng)凸透鏡的位置，即通過改變可移動(dòng)凸透鏡與固定凸透鏡之間的距離，從而改變物距以,進(jìn)而改變固定凸透鏡出射光線的會(huì)聚點(diǎn)。本發(fā)明中，所述的接收望遠(yuǎn)鏡4由一小型凹面鏡10和環(huán)形凹面鏡11組成。環(huán)形·凹面鏡11面向海水表面安裝，將反射回的熒光信號(hào)進(jìn)行會(huì)聚，將另一小型凹面鏡10面向環(huán)形凹面鏡11安裝，小型凹面鏡10與環(huán)形凹面鏡11間的距離為兩者焦距之和，使會(huì)聚的熒光信號(hào)經(jīng)小型凹面鏡放射會(huì)變?yōu)槠叫泄猓叫泄馔高^環(huán)形凹面鏡中心的圓孔出射。本發(fā)明中，所述的濾波器5采用帶通濾波器，除去接收光中除了葉綠素分子熒光信號(hào)以外的水分子喇曼散射信號(hào)和其它藻類或有機(jī)物激發(fā)的熒光信號(hào)，使輸出光波長(zhǎng)接近685nm。本發(fā)明中，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7主要用于計(jì)算和調(diào)節(jié)可移動(dòng)凸透鏡位置，分析熒光反射信號(hào)。在激光發(fā)射前，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)指定入射深度，計(jì)算得出可移動(dòng)凸透鏡與固定凸透鏡間的距離，并發(fā)出指令使可移動(dòng)凸透鏡移動(dòng)至指定位置。激光光源發(fā)出激光束時(shí)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，并根據(jù)指定入射深度計(jì)算此深度熒光信號(hào)返回的時(shí)間。到此時(shí)間時(shí)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分離出最強(qiáng)的熒光信號(hào)，對(duì)熒光信號(hào)光譜進(jìn)行分析，根據(jù)熒光光譜峰值高度和葉綠素濃度的線性關(guān)系，得出海水指定入射深度處的葉綠素分子的濃度。本發(fā)明的技術(shù)效果如下可以實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)測(cè)量；可以通過調(diào)節(jié)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡內(nèi)可移動(dòng)凸透鏡和固定凸透鏡之間的相對(duì)位置，改變發(fā)射望遠(yuǎn)鏡出射激光的會(huì)聚點(diǎn)位置，從而得到垂直方向上發(fā)射望遠(yuǎn)鏡量程內(nèi)任意深度和葉綠素濃度之間的關(guān)系。


圖I為本發(fā)明工作原理示意圖。圖2為接收望遠(yuǎn)鏡原理圖。圖中標(biāo)號(hào)1是激光光源，2是調(diào)制器，3是發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，4是接收望遠(yuǎn)鏡，5是濾波器，6是光電轉(zhuǎn)換器，7是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，8是可移動(dòng)凸透鏡，9是固定凸透鏡，10小型凹面鏡，11環(huán)形凹面鏡。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。實(shí)施例I :如圖1，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7根據(jù)所指定的入射深度計(jì)算得出發(fā)射望遠(yuǎn)鏡3中可移動(dòng)凸透鏡8與固定凸透鏡9之間的距離，并調(diào)節(jié)可移動(dòng)凸透鏡8至指定位置。激光光源I發(fā)出波長(zhǎng)為532nm的激光，通過調(diào)制器2進(jìn)行帶寬調(diào)制，平行激光束通過發(fā)射望遠(yuǎn)鏡3射入大海。激光束在設(shè)定入射深度處會(huì)聚，激發(fā)海水中的葉綠素發(fā)出685nm的熒光信號(hào)，接收望遠(yuǎn)鏡4將發(fā)射回來的熒光信號(hào)進(jìn)行會(huì)聚，通過濾波器5濾波，除去接收光中除了葉綠素分子熒光信號(hào)以外的水分子喇曼散射信號(hào)和其它藻類或有機(jī)物激發(fā)的熒光信號(hào)，接著，波長(zhǎng)為685nm的葉綠素?zé)晒庑盘?hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器6轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7在激光光源I發(fā)出激光束時(shí)開始計(jì)時(shí)，并計(jì)算出所設(shè)定的入射深度激發(fā)的熒光信號(hào)返回的時(shí)間，在相應(yīng)的時(shí)間，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7分離出最強(qiáng)的熒光信號(hào)，對(duì)熒光信號(hào)的光譜進(jìn)行分析，根據(jù)熒光光譜峰值高度和葉綠素濃度的線性關(guān)系，得出海水指定入射深度處的葉綠素分子的濃度。發(fā)射望遠(yuǎn)鏡3的工作原理· 如圖2，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡3由可移動(dòng)凸透鏡8和固定凸透鏡9組成?？梢苿?dòng)凸透鏡8的焦距為/!,平行激光束通過可移動(dòng)凸透鏡8會(huì)聚在其焦點(diǎn)上，可移動(dòng)凸透鏡8的焦點(diǎn)與固定凸透鏡9間的距離為A。固定凸透鏡9的焦距為/2 ,激光通過固定凸透鏡9后會(huì)聚在距離固定凸透鏡9 I
遠(yuǎn)處的一點(diǎn)上。忽略固定凸透鏡與海水面的距離，因此此處^的值即為所指定的激光入射海水的深度。代入凸透鏡成像公式可知1 + 1二 I ,因?yàn)槭莻€(gè)定值，因此，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7可
^ y j2 f
以根據(jù)入射深度要求，計(jì)算得出可移動(dòng)凸透鏡8和固定凸透鏡9之間的距離。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)給出指令，使得可移動(dòng)凸透鏡8和固定凸透鏡9之間的距離調(diào)節(jié)成指定值，就能滿足此裝置的入射要求。
權(quán)利要求
1.一種海水葉綠素垂直分布濃度的遙測(cè)系統(tǒng)，包括激光光源(I)、調(diào)制器(2)、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡(3)、接收望遠(yuǎn)鏡(4)、濾波器(5)、光電轉(zhuǎn)換器(6)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(7)，其特征在于激光光源⑴的出光口對(duì)準(zhǔn)調(diào)制器⑵的進(jìn)光口，調(diào)制器⑵的出光口對(duì)準(zhǔn)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡(3)的進(jìn)光口，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡⑶的出光口對(duì)準(zhǔn)接收望遠(yuǎn)鏡⑷的進(jìn)光口，接收望遠(yuǎn)鏡⑷連接濾波器(5),濾波器(5)連接光電轉(zhuǎn)換器(6),光電轉(zhuǎn)換器(6)將濾波器(5)輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，光電轉(zhuǎn)換器(6)連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；其中 所述發(fā)射望遠(yuǎn)鏡(3)由可移動(dòng)凸透鏡(8)和固定凸透鏡(9)組成，可移動(dòng)凸透鏡(8)的出光口對(duì)準(zhǔn)凸透鏡(9)的進(jìn)光口，可移動(dòng)凸透鏡(8)和固定凸透鏡(9)的光軸放置在同一直線上，可移動(dòng)凸透鏡(8)固定沿此直線運(yùn)動(dòng)； 所述接收望遠(yuǎn)鏡(4)由一小型凹面鏡(10)和環(huán)形凹面鏡(11)組成，環(huán)形凹面鏡(11)面向海水表面安裝，小型凹面鏡(10)面向環(huán)形凹面鏡(11)安裝，小型凹面鏡(10)與環(huán)形凹面鏡(11)間的距離為兩者焦距之和。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的海水葉綠素垂直分布濃度的遙測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的激光光源(I)米用脈沖激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的海水葉綠素垂直分布濃度的遙測(cè)系統(tǒng)，其特征在于述的調(diào)制器(2)將入射激光進(jìn)行帶寬調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的海水葉綠素垂直分布濃度的遙測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的濾波器(5)采用帶通濾波器，除去接收光中除了葉綠素分子熒光信號(hào)以外的水分子喇曼散射信號(hào)和其它藻類或有機(jī)物激發(fā)的熒光信號(hào)，使輸出光波長(zhǎng)接近685nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種海水葉綠素垂直分布濃度的遙測(cè)系統(tǒng)，包括激光光源、調(diào)制器、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡、接收望遠(yuǎn)鏡、濾波器、光電轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，激光光源出光口對(duì)準(zhǔn)調(diào)制器進(jìn)光口，調(diào)制器出光口對(duì)準(zhǔn)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡進(jìn)光口，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡出光口對(duì)準(zhǔn)接收望遠(yuǎn)鏡進(jìn)光口，接收望遠(yuǎn)鏡連接濾波器，濾波器連接光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器將濾波器輸出光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，光電轉(zhuǎn)換器連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；所述發(fā)射望遠(yuǎn)鏡由可移動(dòng)凸透鏡和固定凸透鏡組成，所述接收望遠(yuǎn)鏡由一小型凹面鏡和環(huán)形凹面鏡組成，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)測(cè)量；通過調(diào)節(jié)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡內(nèi)可移動(dòng)凸透鏡和固定凸透鏡之間的相對(duì)位置，改變發(fā)射望遠(yuǎn)鏡出射激光的會(huì)聚點(diǎn)位置，從而得到垂直方向上發(fā)射望遠(yuǎn)鏡量程內(nèi)任意深度和葉綠素濃度之間的關(guān)系。
文檔編號(hào)G01N21/64GK102749313SQ20121023043
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月5日
發(fā)明者丁燁, 李安虎, 李志忠, 王偉 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)