CN102749313A - 海水叶绿素垂直分布浓度的遥测*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海水叶绿素垂直分布浓度的遥测***，包括激光光源、调制器、发射望远镜、接收望远镜、滤波器、光电转换器和数据处理***，激光光源出光口对准调制器进光口，调制器出光口对准发射望远镜进光口，发射望远镜出光口对准接收望远镜进光口，接收望远镜连接滤波器，滤波器连接光电转换器，光电转换器将滤波器输出光信号转换为电信号，光电转换器连接数据处理***；所述发射望远镜由可移动凸透镜和固定凸透镜组成，所述接收望远镜由一小型凹面镜和环形凹面镜组成，本发明可以实现快速实时测量；通过调节发射望远镜内可移动凸透镜和固定凸透镜之间的相对位置，改变发射望远镜出射激光的会聚点位置，从而得到垂直方向上发射望远镜量程内任意深度和叶绿素浓度之间的关系。

Description

海水叶绿素垂直分布浓度的遥测***

技术领域

本发明属于光学电子测量领域，具体涉及一种海水叶绿素垂直分布浓度的遥测***。

背景技术

叶绿素浓度是反应海洋浮游植物密度的一个重要指标，通过对水中叶绿素浓度的测量可以监视赤潮和水质环境状况。此外，叶绿素浓度的含量还可以作为估算海洋初级生产力的重要依据。

海水叶绿素浓度测量主要有定点取样实验室测量、现场连续走航测量和大面积遥感测量。

定点取样测量具有取样困难、实时性差、周期长等缺点。

现场连续走航测量和大面积遥感测量能进行实时测量，其中，现场连续走航测量利用船只拖曳探头实现测量，这种测量方式需将头部装有探头的光纤伸入海洋底部进行测量，虽然能将探头伸入不同深度，做出叶绿素垂直廓线，但由于依赖光纤传递信号，给测量带来不便；而大面积遥感测量虽然可以实现快速、高精度、大面积测量海洋表层叶绿素浓度，但对垂直方向不同深度的叶绿素测量具有一定的局限性。

目前，激光诱导荧光法在水体叶绿素浓度测量方面得到了应用，这种方法是利用激光照射水体，激发水体中叶绿素分子发射荧光信号，接收荧光信号后对其进行分析得出水体叶绿素的浓度。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明目的在于提供一种海水叶绿素浓度的遥测***，它不仅能解决海水叶绿素浓度在垂直方向上的分布问题，同时具有方便、快速、实时测量的特点。

本发明提出的一种海水叶绿素垂直分布浓度的遥测***，包括激光光源1、调制器2、发射望远镜3、接收望远镜4、滤波器5、光电转换器6和数据处理***7，激光光源1的出光口对准调制器2的进光口，调制器2的出光口对准发射望远镜3的进光口，发射望远镜3的出光口对准接收望远镜4的进光口，接收望远镜4连接滤波器5，滤波器5连接光电转换器6，光电转换器6将滤波器5输出的光信号转换为电信号，光电转换器6连接数据处理***；其中：

所述发射望远镜3由可移动凸透镜8和固定凸透镜9组成，可移动凸透镜8的出光口对准凸透镜9的进光口，可移动凸透镜8和固定凸透镜9的光轴放置在同一直线上，可移动凸透镜8固定沿此直线运动；

所述接收望远镜4由一小型凹面镜10和环形凹面镜11组成，环形凹面镜11面向海水表面安装，小型凹面镜10面向环形凹面镜11安装，小型凹面镜10与环形凹面镜11间的距离为两者焦距之和。

本发明中，所述的激光光源1采用脉冲激光器。

本发明中，所述的调制器2将入射激光进行带宽调节。

本发明中，所述的发射望远镜3由可移动凸透镜8和固定凸透镜9组成。可移动凸透镜8和固定凸透镜9的光轴放置在同一直线上，可移动凸透镜8沿此直线运动，从而改变可移动凸透镜8与固定凸透镜9之间的距离。由凸透镜成像原理可知：                                                

，其中，为物距，为像距，为凸透镜的焦距。平行光束经过可移动凸透镜后会聚在其焦点上，并射向固定凸透镜，光线经过固定凸透镜后再次会聚。由凸透镜成像原理可知，可移动凸透镜焦点与固定凸透镜中心点的距离为物距

，固定凸透镜中心点与最终光线会聚点的距离为像距

，由于物距的倒数与像距的倒数之和等于焦距的倒数，因此发射望远镜可以通过调节可移动凸透镜的位置，即通过改变可移动凸透镜与固定凸透镜之间的距离，从而改变物距

，进而改变固定凸透镜出射光线的会聚点。

本发明中，所述的接收望远镜4由一小型凹面镜10和环形凹面镜11组成。环形凹面镜11面向海水表面安装，将反射回的荧光信号进行会聚，将另一小型凹面镜10面向环形凹面镜11安装，小型凹面镜10与环形凹面镜11间的距离为两者焦距之和，使会聚的荧光信号经小型凹面镜放射会变为平行光，平行光透过环形凹面镜中心的圆孔出射。

本发明中，所述的滤波器5采用带通滤波器，除去接收光中除了叶绿素分子荧光信号以外的水分子喇曼散射信号和其它藻类或有机物激发的荧光信号，使输出光波长接近685nm。

本发明中，所述数据处理***7主要用于计算和调节可移动凸透镜位置，分析荧光反射信号。在激光发射前，数据处理***根据指定入射深度，计算得出可移动凸透镜与固定凸透镜间的距离，并发出指令使可移动凸透镜移动至指定位置。激光光源发出激光束时，数据处理***开始计时，并根据指定入射深度计算此深度荧光信号返回的时间。到此时间时，数据处理***分离出最强的荧光信号，对荧光信号光谱进行分析，根据荧光光谱峰值高度和叶绿素浓度的线性关系，得出海水指定入射深度处的叶绿素分子的浓度。

本发明的技术效果如下：可以实现快速实时测量；可以通过调节发射望远镜内可移动凸透镜和固定凸透镜之间的相对位置，改变发射望远镜出射激光的会聚点位置，从而得到垂直方向上发射望远镜量程内任意深度和叶绿素浓度之间的关系。

附图说明

图1为本发明工作原理示意图。

图2为接收望远镜原理图。

图中标号：1是激光光源，2是调制器，3是发射望远镜，4是接收望远镜，5是滤波器，6是光电转换器，7是数据处理***，8是可移动凸透镜，9是固定凸透镜，10小型凹面镜，11环形凹面镜。

具体实施方式

 下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

 实施例1：

如图1，数据处理***7根据所指定的入射深度计算得出发射望远镜3中可移动凸透镜8与固定凸透镜9之间的距离，并调节可移动凸透镜8至指定位置。激光光源1发出波长为532nm的激光，通过调制器2进行带宽调制，平行激光束通过发射望远镜3射入大海。

激光束在设定入射深度处会聚，激发海水中的叶绿素发出685nm的荧光信号，接收望远镜4将发射回来的荧光信号进行会聚，通过滤波器5滤波，除去接收光中除了叶绿素分子荧光信号以外的水分子喇曼散射信号和其它藻类或有机物激发的荧光信号，接着，波长为685nm的叶绿素荧光信号经过光电转换器6 转换为电信号，进入数据处理***进行数据处理。

数据处理***7在激光光源1发出激光束时开始计时，并计算出所设定的入射深度激发的荧光信号返回的时间，在相应的时间，数据处理***7分离出最强的荧光信号，对荧光信号的光谱进行分析，根据荧光光谱峰值高度和叶绿素浓度的线性关系，得出海水指定入射深度处的叶绿素分子的浓度。

发射望远镜3的工作原理：

如图2，发射望远镜3由可移动凸透镜8和固定凸透镜9组成。

可移动凸透镜8的焦距为

，平行激光束通过可移动凸透镜8会聚在其焦点上，可移动凸透镜8的焦点与固定凸透镜9间的距离为。

固定凸透镜9的焦距为

，激光通过固定凸透镜9后会聚在距离固定凸透镜9

远处的一点上。忽略固定凸透镜与海水面的距离，因此此处

的值即为所指定的激光入射海水的深度。

代入凸透镜成像公式可知

，因为

是个定值，因此，数据处理***7可以根据入射深度要求，计算得出可移动凸透镜8和固定凸透镜9之间的距离。数据处理***给出指令，使得可移动凸透镜8和固定凸透镜9之间的距离调节成指定值，就能满足此装置的入射要求。

Claims (4)

1.一种海水叶绿素垂直分布浓度的遥测***，包括激光光源(1)、调制器(2)、发射望远镜(3)、接收望远镜(4)、滤波器(5)、光电转换器(6)和数据处理***(7)，其特征在于激光光源(1)的出光口对准调制器(2)的进光口，调制器(2)的出光口对准发射望远镜(3)的进光口，发射望远镜(3)的出光口对准接收望远镜(4)的进光口，接收望远镜(4)连接滤波器(5)，滤波器(5)连接光电转换器(6)，光电转换器(6)将滤波器(5)输出的光信号转换为电信号，光电转换器(6)连接数据处理***；其中：

所述发射望远镜(3)由可移动凸透镜(8)和固定凸透镜(9)组成，可移动凸透镜(8)的出光口对准凸透镜(9)的进光口，可移动凸透镜(8)和固定凸透镜(9)的光轴放置在同一直线上，可移动凸透镜(8)固定沿此直线运动；

所述接收望远镜(4)由一小型凹面镜(10)和环形凹面镜(11)组成，环形凹面镜(11)面向海水表面安装，小型凹面镜(10)面向环形凹面镜(11)安装，小型凹面镜(10)与环形凹面镜(11)间的距离为两者焦距之和。

2.根据权利要求1所述的海水叶绿素垂直分布浓度的遥测***，其特征在于所述的激光光源(1)采用脉冲激光器。

3.根据权利要求1所述的海水叶绿素垂直分布浓度的遥测***，其特征在于述的调制器(2)将入射激光进行带宽调节。

4.根据权利要求1所述的海水叶绿素垂直分布浓度的遥测***，其特征在于所述的滤波器(5)采用带通滤波器，除去接收光中除了叶绿素分子荧光信号以外的水分子喇曼散射信号和其它藻类或有机物激发的荧光信号，使输出光波长接近685nm。

Images