水體光吸收和衰減測量儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光學(xué)測量設(shè)備，具體涉及一種測量水體光吸收/衰減系數(shù)的系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 水體光吸收/衰減系數(shù)表征水體對光的吸收和衰減作用，只與水體中的物質(zhì)成分 有關(guān)，不依賴于水體光場的幾何結(jié)構(gòu)，是水體的兩大固有光學(xué)性質(zhì)。光經(jīng)過介質(zhì)，一部分被 吸收，另外一部分偏離原傳播方向被散射；吸收和散射的共同作用造成了光的衰減。
[0003] 光吸收系數(shù)和光衰減系數(shù)的變化與水體組分具有密切的聯(lián)系。除了純水之外，光 吸收系數(shù)來源于有色溶解有機(jī)物（CD0M)、浮游植物（ph)和非藻類顆粒物（NAP)的吸收貢 獻(xiàn)；懸浮顆粒物是引起光散射的主要來源，與不同組分的光吸收特性一起決定了光衰減特 性的變化特征。
[0004] 水體的光吸收系數(shù)（a，單位為m 4定義為一束平行光透過一無限薄的均勻介質(zhì)， 光吸收率（A)與介質(zhì)厚度（Z r)的比值，其定義可用以下公式表示：
[0007] 其中，0D ( λ )表示光學(xué)密度，r表示光程。
[0008] 除了純水之外，水體吸收系數(shù)a( λ)可以簡單分為有色溶解有機(jī)物、懸浮顆粒物 等兩大類的貢獻(xiàn)，可表示為：
[0010] 右式分別代表了純海水（w)、總顆粒物（ρ)以及有色溶解有機(jī)物（⑶0Μ)對吸收的 貢獻(xiàn)，其中總顆粒物吸收又可進(jìn)一步分解浮游植物（ph)、非藻類顆粒物（NAP)的吸收光譜 之和，即
[0012] 水體的光散射系數(shù)（b，單位為m 4定義為一束平行光透過一無限薄的均勻介質(zhì)， 光散射率（B)與介質(zhì)厚度r)的比值，即：
[0014] 水體的光衰減系數(shù)（c，單位為m ^為水體的吸收和散射系數(shù)之和，即：
[0015] c( λ) =a(X)+b (λ)
[0016] 現(xiàn)有技術(shù)中，對于水體光吸收衰減系數(shù)的測量，通常使用全反射管或全吸收管，需 要進(jìn)行溫度、鹽度校正和散射校正；或者使用分光光度計。這兩種方法都存在測量操作復(fù) 雜，影響因素多，誤差大等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明的目的在于提供一種能夠原位測量水體光吸收和衰減的測量儀，簡化水體 光吸收衰減系數(shù)的測量，并且為進(jìn)一步分析水體浮游植物粒級結(jié)構(gòu)提供可靠的支持。
[0018] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述目的具體方案如下：
[0019] -種水體光吸收和衰減測量儀，其包括：發(fā)光單元、采樣單元、探測單元和信號采 集分析單元，其中：
[0020] 所述發(fā)光單元包括主通道以及在主通道的后端分成的三路分通道，所述主通道和 分通道之間相互連通，所述主通道內(nèi)設(shè)置有產(chǎn)生光信號的光源組件，在主通道與分通道的 連通處設(shè)置有用于將所述光信號分成三束的分束器，使光信號被分成三束后分別進(jìn)入三路 分通道；在三路分通道中，其中第一分通道和第二分通道的終端分別開有封閉的第一窗口 和第二窗口；
[0021] 所述探測單元包括三路接收通道，其中，第一接收通道和第二接收通道的始端分 別開有封閉的第三窗口和第四窗口，第三接收通道與第二接收通道相連通；
[0022] 所述采樣單元包括用于連接第一窗口和第三窗口的第一水樣通道以及用于連接 第二窗口和第四窗口的第二水樣通道；
[0023] 所述信號采集分析單元設(shè)有光譜分析儀；
[0024] 第三分通道的終端通過光纖與第三接收通道的終端相連，在第三接收通道與第二 接收通道的連通處安裝一合束器，所述合束器用于將第三分通道中的光信號經(jīng)第三接收通 道后與第二分通道中的光信號經(jīng)第二接收通道后進(jìn)行合分，然后再傳送至第二接收通道的 終端，所述第一分通道中的光信號傳送至第一接收通道的終端；所述第一接收通道的終端 以及第二接收通道的終端均通過光纖與光譜分析儀連接。
[0025] 所述第一至三分通道為吸收通道、衰減通道和參考通道，所述第一至三接收通道 分別為吸收接收通道、衰減接收通道和參考接收通道，所述第一至四窗口分別為第一吸收 窗口、第一衰減窗口、第二吸收窗口和第二衰減窗口。
[0026] 所述主通道的后端延伸形成衰減通道，所述參考通道與衰減通道直接連通，所述 吸收通道與主通道直接連通，所述分束器包括設(shè)置于吸收通道與主通道的連通處的第一分 束器、以及設(shè)置于參考通道與衰減通道的連通處的第二分束器。
[0027] 所述第一吸收窗口、第一衰減窗口、第二吸收窗口和第二衰減窗口均為同一高度 和方向，它們均通過藍(lán)寶石進(jìn)行封閉；所述第一吸收通道包括與主通道垂直并連通的垂直 吸收通道以及與所述垂直吸收通道垂直并連通的平行吸收通道，在所述垂直吸收通道與平 行吸收通道的連通處安裝一直角棱鏡。
[0028] 所述光源組件包括按空間順序從主通道的前端至其后端依次設(shè)置的光源、聚光組 件、衰減組件、光闌組件和第一快門組件。光源優(yōu)選高穩(wěn)定齒鎢燈光源組件；聚光組件優(yōu)選 三膠合消色差透鏡聚光組件；衰減組件為衰減器；光闌組件優(yōu)選高功率孔徑光闌組件。
[0029] 在所述光源安裝于一開口朝向聚光組件的聚光罩中，在第一分束器與第一電動快 門之間的光路上還安裝一準(zhǔn)直鏡組。
[0030] 在參考通道中、合束器與衰減接收通道的終端之間的衰減接收通道中、以及合束 器與參考接收通道的終端之間的參考接收通道中分別安裝有第一匯聚鏡組、第二匯聚鏡組 和第三匯聚鏡組；所述吸收接收通道中安裝有勻化器和能量收集器，所述勻化器位于第二 吸收窗口側(cè)。
[0031] 在合束器與第二衰減窗口之間的衰減接收通道中、以及第三匯聚鏡組遠(yuǎn)離合束器 一側(cè)的參考接收通道中分別安裝有第二快門組件和第三快門組件。
[0032] 所述第一快門組件、第二快門組件和第三快門組件均為電動快門，所述電動快門 與光源的開關(guān)均由外接的控制器通過控制線纜統(tǒng)一控制。
[0033] 所述第一水樣通道的內(nèi)壁上涂覆有高反射率的反射膜層，所述以第二水樣通道的 內(nèi)壁經(jīng)過發(fā)黑處理，形成具有高吸收率的吸收層。
[0034] 本發(fā)明所述的水體光吸收和衰減測量儀中，發(fā)光單元為水體參數(shù)測量提供光譜 豐富性能穩(wěn)定的光源；采樣單元主要實(shí)現(xiàn)水體樣品的采樣；探測單元實(shí)現(xiàn)光輻射信號的探 測，該信號中攜帶著水體的參數(shù)信息；信號采集分析單元可以對探測到的信息進(jìn)行光譜分 析，為水體衰減和吸收參數(shù)計算提供基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)。
[0035] 本發(fā)明優(yōu)選的水體光吸收和衰減測量儀中，所述的發(fā)光單元中，光源優(yōu)選高穩(wěn)定 鹵鎢燈光源組件；所述的聚光組件優(yōu)選三膠合消色差透鏡組件；所述的光闌組件優(yōu)選高功 率孔徑光闌組件。
[0036] 本發(fā)明優(yōu)選的水體光吸收和衰減測量儀中，所述的第一水樣通道和第二水樣通道 均為可拆卸管道。
[0037] 上述最優(yōu)選的測量儀工作原理大致如下：高穩(wěn)定鹵鎢燈的光源出射的光輻射經(jīng)過 聚光罩和聚光組件成像到光闌組件位置，在光路中設(shè)置衰減組件實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)可控，為系統(tǒng)獲 得較高信噪比提供調(diào)節(jié)量。第一快門組件實(shí)現(xiàn)整個光路的截斷，可以對系統(tǒng)暗噪聲測量提 供手段。分束器（包括均有分束棱鏡形成的第一分束器和第二分束器）實(shí)現(xiàn)光路四通路設(shè) 計，使分出的光信號分別進(jìn)入衰減通道、吸收通道和參考通道。衰減通道的光信號通過第一 衰減窗口輸出進(jìn)入第二水樣通道，其內(nèi)壁為經(jīng)發(fā)黑處理的吸收通道，可以吸收海水的雜散 光信號。吸收通道的光信號通過第一吸收窗口輸出進(jìn)入第一水樣通道，其內(nèi)壁為鍍高反射 膜層處理的通道，可以反射海水的雜散光信號。參考通道光信號經(jīng)過第一匯聚鏡組由光纖 經(jīng)線纜通道傳至探測單元。光源的供電線纜，快門的控制線纜及供電線纜一起經(jīng)過線纜通 道傳遞到探測單元，并交由外接的控制器進(jìn)行統(tǒng)一控制。光信號經(jīng)過第二衰減窗口進(jìn)入探 測單元，合束器可以將參考接收通道的光信號和衰減接收通道的光信號合并進(jìn)入光譜分析 儀，第二快門組件和第三快門組件負(fù)責(zé)光路通斷，可以實(shí)現(xiàn)衰減接收通道測量和參考接收 通道的光信號的選擇性測量。光信號經(jīng)過第二吸收窗口進(jìn)入探測單元，勻化器可以將由吸 收通道的大角度入射光進(jìn)行接收，經(jīng)能量收集器收集后，由光纖進(jìn)入光譜分析儀。
[0038] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的測量儀能夠迅速、便捷地實(shí)現(xiàn)原位測量水體吸收光譜， 對于水體，特別是海水中浮游植物組成情況的分析來說，能夠提供高效準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。
【附圖說明】
[0039] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例1水體光吸收衰減系數(shù)測量儀的整體光路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1水體光吸收衰減系數(shù)測量儀的發(fā)光單元光路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例1水體光吸收衰減系數(shù)測量儀的探測單元光路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042] 附圖標(biāo)記：
[0043] 1、發(fā)光單元；11、主通道；111、聚光罩；112、光源；113、聚光組件；114、衰減組件； 115、光闌組件；116、第一快門組件；1171、第一分束器；1172、第二分束器；118、準(zhǔn)直鏡組； 12、吸收通道；121、直角棱鏡；122、第一吸收窗口；13、衰減通道；131、第一衰減窗口；14、參 考通道；
[0044] 2、采樣單元；21、第一水樣通道；22、第二水樣通道；23、線纜通道；
[0045] 3、探測單元；31、吸收接收通道；311、第二吸收窗口；312、勻化器；313、能量收集 器；32、衰減接收通道；321、第二衰減窗口；322、第二快門組件；323、合束器；33、參考接收 通道；331、第三快門組件；
[0046] 4、信號米集分析單兀；5、光纖；61、第一匯聚鏡組；62、第二匯聚鏡組；63、第三匯 聚鏡組。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明 的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)的說明。
[0048] 在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以 采用其他不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的 情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施例的限制。
[0049] 實(shí)施例
[0050] -種水體光吸收和衰減參數(shù)測量儀，如圖1所示，它主要由發(fā)光單元1、采樣單元 2、探測單元3和信號采集分析單元4組成；發(fā)光單元1包括主通道11和主通道11 一端分 成的三路分通道，分別定義為吸收通道12、衰減通道13和參考通道14,主通道11和吸收通 道12直接連通，衰減通道13和參考通道14直接連通；