CN105352903A - 水体光吸收和衰减测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水体光吸收衰减系数测量仪，它主要由发光单元、采样单元、探测单元和信号采集分析单元组成；发光单元为水体参数测量提供光谱丰富性能稳定的光源；采样单元主要实现水体样品的采样；探测单元实现光辐射信号的探测，该信号中携带着水体的参数信息；信号采集分析单元可以对探测到的信息进行光谱分析，为水体衰减和吸收参数计算提供基础参数数据。本发明提供的测量仪能够原位测量水体光吸收和衰减的测量仪，简化水体光吸收衰减系数的测量，并且为进一步分析水体浮游植物粒级结构提供可靠的支持。

Description

水体光吸收和衰减测量仪

技术领域

本发明涉及一种光学测量设备，具体涉及一种测量水体光吸收/衰减系数的***。

背景技术

水体光吸收/衰减系数表征水体对光的吸收和衰减作用，只与水体中的物质成分有关，不依赖于水体光场的几何结构，是水体的两大固有光学性质。光经过介质，一部分被吸收，另外一部分偏离原传播方向被散射；吸收和散射的共同作用造成了光的衰减。

光吸收系数和光衰减系数的变化与水体组分具有密切的联系。除了纯水之外，光吸收系数来源于有色溶解有机物(CDOM)、浮游植物(ph)和非藻类颗粒物(NAP)的吸收贡献；悬浮颗粒物是引起光散射的主要来源，与不同组分的光吸收特性一起决定了光衰减特性的变化特征。

水体的光吸收系数(a，单位为m^-1)定义为一束平行光透过一无限薄的均匀介质，光吸收率(A)与介质厚度(⊿r)的比值，其定义可用以下公式表示：

$a\left(\mathrm{\λ}\right)=\underset{\mathrm{\Δ}r\→0}{\lim }\frac{A\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\Δ}r}$

a(λ)＝2.303×OD(λ)/r

其中，OD(λ)表示光学密度，r表示光程。

除了纯水之外，水体吸收系数a(λ)可以简单分为有色溶解有机物、悬浮颗粒物等两大类的贡献，可表示为：

a(λ)＝a_w(λ)+a_p(λ)+a_CDOM(λ)，(1)

右式分别代表了纯海水(w)、总颗粒物(p)以及有色溶解有机物(CDOM)对吸收的贡献，其中总颗粒物吸收又可进一步分解浮游植物(ph)、非藻类颗粒物(NAP)的吸收光谱之和，即

a_p(λ)＝a_ph(λ)+a_NAP(λ)

水体的光散射系数(b，单位为m^-1)定义为一束平行光透过一无限薄的均匀介质，光散射率(B)与介质厚度(⊿r)的比值，即：

$b\left(\mathrm{\λ}\right)=\underset{\mathrm{\Δ}r\→0}{\lim }\frac{B\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\Δ}r}$

水体的光衰减系数(c，单位为m^-1)为水体的吸收和散射系数之和，即：

c(λ)＝a(λ)+b(λ)

现有技术中，对于水体光吸收衰减系数的测量，通常使用全反射管或全吸收管，需要进行温度、盐度校正和散射校正；或者使用分光光度计。这两种方法都存在测量操作复杂，影响因素多，误差大等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够原位测量水体光吸收和衰减的测量仪，简化水体光吸收衰减系数的测量，并且为进一步分析水体浮游植物粒级结构提供可靠的支持。

实现本发明上述目的具体方案如下：

一种水体光吸收和衰减测量仪，其包括：发光单元、采样单元、探测单元和信号采集分析单元，其中：

所述发光单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间相互连通，所述主通道内设置有产生光信号的光源组件，在主通道与分通道的连通处设置有用于将所述光信号分成三束的分束器，使光信号被分成三束后分别进入三路分通道；在三路分通道中，其中第一分通道和第二分通道的终端分别开有封闭的第一窗口和第二窗口；

所述探测单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别开有封闭的第三窗口和第四窗口，第三接收通道与第二接收通道相连通；

所述采样单元包括用于连接第一窗口和第三窗口的第一水样通道以及用于连接第二窗口和第四窗口的第二水样通道；

所述信号采集分析单元设有光谱分析仪；

第三分通道的终端通过光纤与第三接收通道的终端相连，在第三接收通道与第二接收通道的连通处安装一合束器，所述合束器用于将第三分通道中的光信号经第三接收通道后与第二分通道中的光信号经第二接收通道后进行合分，然后再传送至第二接收通道的终端，所述第一分通道中的光信号传送至第一接收通道的终端；所述第一接收通道的终端以及第二接收通道的终端均通过光纤与光谱分析仪连接。

所述第一至三分通道为吸收通道、衰减通道和参考通道，所述第一至三接收通道分别为吸收接收通道、衰减接收通道和参考接收通道，所述第一至四窗口分别为第一吸收窗口、第一衰减窗口、第二吸收窗口和第二衰减窗口。

所述主通道的后端延伸形成衰减通道，所述参考通道与衰减通道直接连通，所述吸收通道与主通道直接连通，所述分束器包括设置于吸收通道与主通道的连通处的第一分束器、以及设置于参考通道与衰减通道的连通处的第二分束器。

所述第一吸收窗口、第一衰减窗口、第二吸收窗口和第二衰减窗口均为同一高度和方向，它们均通过蓝宝石进行封闭；所述第一吸收通道包括与主通道垂直并连通的垂直吸收通道以及与所述垂直吸收通道垂直并连通的平行吸收通道，在所述垂直吸收通道与平行吸收通道的连通处安装一直角棱镜。

所述光源组件包括按空间顺序从主通道的前端至其后端依次设置的光源、聚光组件、衰减组件、光阑组件和第一快门组件。光源优选高稳定卤钨灯光源组件；聚光组件优选三胶合消色差透镜聚光组件；衰减组件为衰减器；光阑组件优选高功率孔径光阑组件。

在所述光源安装于一开口朝向聚光组件的聚光罩中，在第一分束器与第一电动快门之间的光路上还安装一准直镜组。

在参考通道中、合束器与衰减接收通道的终端之间的衰减接收通道中、以及合束器与参考接收通道的终端之间的参考接收通道中分别安装有第一汇聚镜组、第二汇聚镜组和第三汇聚镜组；所述吸收接收通道中安装有匀化器和能量收集器，所述匀化器位于第二吸收窗口侧。

在合束器与第二衰减窗口之间的衰减接收通道中、以及第三汇聚镜组远离合束器一侧的参考接收通道中分别安装有第二快门组件和第三快门组件。

所述第一快门组件、第二快门组件和第三快门组件均为电动快门，所述电动快门与光源的开关均由外接的控制器通过控制线缆统一控制。

所述第一水样通道的内壁上涂覆有高反射率的反射膜层，所述以第二水样通道的内壁经过发黑处理，形成具有高吸收率的吸收层。

本发明所述的水体光吸收和衰减测量仪中，发光单元为水体参数测量提供光谱丰富性能稳定的光源；采样单元主要实现水体样品的采样；探测单元实现光辐射信号的探测，该信号中携带着水体的参数信息；信号采集分析单元可以对探测到的信息进行光谱分析，为水体衰减和吸收参数计算提供基础参数数据。

本发明优选的水体光吸收和衰减测量仪中，所述的发光单元中，光源优选高稳定卤钨灯光源组件；所述的聚光组件优选三胶合消色差透镜组件；所述的光阑组件优选高功率孔径光阑组件。

本发明优选的水体光吸收和衰减测量仪中，所述的第一水样通道和第二水样通道均为可拆卸管道。

上述最优选的测量仪工作原理大致如下：高稳定卤钨灯的光源出射的光辐射经过聚光罩和聚光组件成像到光阑组件位置，在光路中设置衰减组件实现光强可控，为***获得较高信噪比提供调节量。第一快门组件实现整个光路的截断，可以对***暗噪声测量提供手段。分束器(包括均有分束棱镜形成的第一分束器和第二分束器)实现光路四通路设计，使分出的光信号分别进入衰减通道、吸收通道和参考通道。衰减通道的光信号通过第一衰减窗口输出进入第二水样通道，其内壁为经发黑处理的吸收通道，可以吸收海水的杂散光信号。吸收通道的光信号通过第一吸收窗口输出进入第一水样通道，其内壁为镀高反射膜层处理的通道，可以反射海水的杂散光信号。参考通道光信号经过第一汇聚镜组由光纤经线缆通道传至探测单元。光源的供电线缆，快门的控制线缆及供电线缆一起经过线缆通道传递到探测单元，并交由外接的控制器进行统一控制。光信号经过第二衰减窗口进入探测单元，合束器可以将参考接收通道的光信号和衰减接收通道的光信号合并进入光谱分析仪，第二快门组件和第三快门组件负责光路通断，可以实现衰减接收通道测量和参考接收通道的光信号的选择性测量。光信号经过第二吸收窗口进入探测单元，匀化器可以将由吸收通道的大角度入射光进行接收，经能量收集器收集后，由光纤进入光谱分析仪。

与现有技术相比，本发明的测量仪能够迅速、便捷地实现原位测量水体吸收光谱，对于水体，特别是海水中浮游植物组成情况的分析来说，能够提供高效准确的数据支持。

附图说明

图1是本发明实施例1水体光吸收衰减系数测量仪的整体光路结构示意图。

图2是本发明实施例1水体光吸收衰减系数测量仪的发光单元光路结构示意图。

图3是本发明实施例1水体光吸收衰减系数测量仪的探测单元光路结构示意图。

附图标记：

1、发光单元；11、主通道；111、聚光罩；112、光源；113、聚光组件；114、衰减组件；115、光阑组件；116、第一快门组件；1171、第一分束器；1172、第二分束器；118、准直镜组；12、吸收通道；121、直角棱镜；122、第一吸收窗口；13、衰减通道；131、第一衰减窗口；14、参考通道；

2、采样单元；21、第一水样通道；22、第二水样通道；23、线缆通道；

3、探测单元；31、吸收接收通道；311、第二吸收窗口；312、匀化器；313、能量收集器；32、衰减接收通道；321、第二衰减窗口；322、第二快门组件；323、合束器；33、参考接收通道；331、第三快门组件；

4、信号采集分析单元；5、光纤；61、第一汇聚镜组；62、第二汇聚镜组；63、第三汇聚镜组。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例

一种水体光吸收和衰减参数测量仪，如图1所示，它主要由发光单元1、采样单元2、探测单元3和信号采集分析单元4组成；发光单元1包括主通道11和主通道11一端分成的三路分通道，分别定义为吸收通道12、衰减通道13和参考通道14，主通道11和吸收通道12直接连通，衰减通道13和参考通道14直接连通；

如图2所示，主通道11内按空间顺序依次设有聚光罩111、采样高稳定卤钨灯的光源112、三胶合消色差透镜的聚光组件113、衰减器构成的衰减组件114、高功率孔径的光阑组件115、第一快门组件116和准直镜组118；主通道11和吸收通道12连通处(该连接处分别称为二者的始端，另一端则称之为终端)、衰减通道13和参考通道14连通处(该连接处分别称为二者的始端，另一端则称之为终端)分别设置两个由分束棱镜形成的第一分束器1171和第二分束器1172，使光信号被连续分束，最终分成三束后分别进入三路分通道；三路分通道中，吸收通道12经直角拐弯后与衰减通道13平行，吸收通道内在所述直角拐弯处设置直角棱镜121，吸收通道12和衰减通道13的终端分别设置统一高度和方向的蓝宝石窗口，分别定义为第一吸收窗口122和第一衰减窗口131，参考通道14内设置第一汇聚镜组61；

如图3所示，探测单元3包括三路接收通道，分别定义为吸收接收通道31、衰减接收通道32和参考接收通道33；吸收接收通道31和衰减接收通道32分别开有统一高度和方向的蓝宝石窗口，分别定义为第二吸收窗口311和第二衰减窗口321，参考接收通道33一端(称为终端)与发光单元1的参考通道通过光纤5连接，另一端(称为始端)连通至衰减接收通道32内部；吸收接收通道31内还设有匀化器312和能量收集器313；衰减接收通道32内，在靠近第二衰减窗口321的一端设置第二快门组件322，在与参考接收通道33连通处设置合束器323，在远离第二衰减窗口的一端还设有第二汇聚镜组62；参考接收通道33的光纤连接端设置第三快门组件331，顺光路方向还设置有第三汇聚镜组63；

采样单元2包括第一水样通道21和第二水样通道22，第一水样通道21两端开放，分别连接第一吸收窗口122和第二吸收窗口311，第二水样通道22两端开放，分别连接第一衰减窗口131和第二衰减窗口321，两个水样通道均设置有水样进、出口；第一水样通道21内壁经镀高反射膜层处理，第二水样通道22内壁表层经发黑处理；第一水样通道21和第二水样通道22均为可拆卸管道，端部与各窗***动连接；

信号采集分析单元4设有两台光谱分析仪，分别通过光纤5与探测单元3的吸收接收通道31和衰减接收通道32连接；

探测单元3后部配有电源接口、电控及数传接口。电动快门和光源开关均由外接的控制器通过控制线缆统一控制，此外采样单元2还设有线缆通道23，线缆通道23负责保护供电线缆、光纤和控制线缆，将各种线缆由发光单元1传输到探测单元3。

本发明水体光吸收和衰减测试仪中，发光单元为水体参数测量提供光谱丰富性能稳定的光源；采样单元主要实现水体样品的采样；探测单元实现光辐射信号的探测，该信号中携带着水体的参数信息；信号采集分析单元可以对探测到的信息进行光谱分析，为水体衰减和吸收参数计算提供基础参数数据。

本实施例测量仪使用时，上述最优选的测量仪工作原理大致如下：高稳定卤钨灯的光源112出射的光辐射经过聚光罩111和聚光组件113成像到光阑组件115位置，在光路中设置衰减组件114实现光强可控，为***获得较高信噪比提供调节量。第一快门组件116实现整个光路的截断，可以对***暗噪声测量提供手段。分束器(包括均由分束棱镜形成的第一分束器1171和第二分束器1172)实现光路四通路设计，使分出的光信号分别进入衰减通道13、吸收通道12和参考通道14。衰减通道13的光信号通过第一衰减窗口131输出进入第二水样通道22，其内壁为经发黑处理的吸收通道，可以吸收海水的杂散光信号。吸收通道12的光信号通过第一吸收窗口122输出进入第一水样通道21，其内壁为镀高反射膜层处理的通道，可以反射海水的杂散光信号。参考通道14光信号经过第一汇聚镜组61由光纤5经线缆通道23传至探测单元3。光源112的供电线缆，快门的控制线缆及供电线缆一起经过线缆通道23传递到探测单元3，并交由外接的控制器进行统一控制。光信号经过第二衰减窗口321进入探测单元3，合束器323可以将参考接收通道33的光信号和衰减接收通道32的光信号合并进入光谱分析仪，第二快门组件322和第三快门组件331负责光路通断，可以实现衰减接收通道32测量和参考接收通道33的光信号的选择性测量。光信号经过第二吸收窗口311进入探测单元3，匀化器312可以将由吸收通道的大角度入射光进行接收，经能量收集器313收集后，由光纤5进入光谱分析仪。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种水体光吸收和衰减测量仪，其特征在于，其包括：发光单元(1)、采样单元(2)、探测单元(3)和信号采集分析单元(4)，其中：

所述发光单元(1)包括主通道(11)以及在主通道(11)的后端分成的三路分通道，所述主通道(11)和分通道之间相互连通，所述主通道(11)内设置有产生光信号的光源组件，在主通道(11)与分通道的连通处设置有用于将所述光信号分成三束的分束器，使光信号被分成三束后分别进入三路分通道；在三路分通道中，其中第一分通道和第二分通道的终端分别开有封闭的第一窗口和第二窗口；

所述探测单元(3)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别开有封闭的第三窗口和第四窗口，第三接收通道与第二接收通道相连通；

所述采样单元(2)包括用于连接第一窗口和第三窗口的第一水样通道(21)以及用于连接第二窗口和第四窗口的第二水样通道(22)；

所述信号采集分析单元(4)设有光谱分析仪；

第三分通道的终端通过光纤与第三接收通道的终端相连，在第三接收通道与第二接收通道的连通处安装一合束器(323)，所述合束器(323)用于将第三分通道中的光信号经第三接收通道后与第二分通道中的光信号经第二接收通道后进行合分，然后再传送至第二接收通道的终端，所述第一分通道中的光信号传送至第一接收通道的终端；所述第一接收通道的终端以及第二接收通道的终端均通过光纤与光谱分析仪连接。

2.根据权利要求1所述的水体光吸收和衰减测量仪，其特征在于，所述第一至三分通道为吸收通道(12)、衰减通道(13)和参考通道(14)，所述第一至三接收通道分别为吸收接收通道(31)、衰减接收通道(32)和参考接收通道(33)，所述第一至四窗口分别为第一吸收窗口(122)、第一衰减窗口(131)、第二吸收窗口(311)和第二衰减窗口(321)。

3.根据权利要求2所述的水体光吸收和衰减测量仪，其特征在于，所述主通道(11)的后端延伸形成衰减通道(13)，所述参考通道(14)与衰减通道(13)直接连通，所述吸收通道(12)与主通道(11)直接连通，所述分束器包括设置于吸收通道(12)与主通道(11)的连通处的第一分束器(1171)、以及设置于参考通道(14)与衰减通道(13)的连通处的第二分束器(1172)。

4.根据权利要求3所述的水体光吸收和衰减测量仪，其特征在于，所述第一吸收窗口(122)、第一衰减窗口(131)、第二吸收窗口(311)和第二衰减窗口(321)均为同一高度和方向，它们均通过蓝宝石进行封闭；所述第一吸收通道包括与主通道(11)垂直并连通的垂直吸收通道以及与所述垂直吸收通道垂直并连通的平行吸收通道，在所述垂直吸收通道与平行吸收通道的连通处安装一直角棱镜(121)。

5.根据权利要求3所述的水体光吸收和衰减测量仪，其特征在于，所述光源组件包括按空间顺序从主通道(11)的前端至其后端依次设置的光源(112)、聚光组件(113)、衰减组件(114)、光阑组件(115)和第一快门组件(116)。

6.根据权利要求5所述的水体光吸收和衰减测量仪，其特征在于，在所述光源(112)安装于一开口朝向聚光组件(113)的聚光罩(111)中，在第一分束器(1171)与第一快门组件(116)之间的光路上还安装一准直镜组(118)。

7.根据权利要求5所述的水体光吸收和衰减测量仪，其特征在于，在参考通道(14)中、合束器(323)与衰减接收通道(32)的终端之间的衰减接收通道(32)中、以及合束器(323)与参考接收通道(33)的终端之间的参考接收通道(33)中分别安装有第一汇聚镜组(61)、第二汇聚镜组(62)和第三汇聚镜组(63)；所述吸收接收通道(31)中安装有匀化器(312)和能量收集器(313)，所述匀化器(312)位于第二吸收窗口(311)侧。

8.根据权利要求7所述的水体光吸收和衰减测量仪，其特征在于，在合束器(323)与第二衰减窗口(321)之间的衰减接收通道(32)中、以及第三汇聚镜组(63)远离合束器(323)一侧的参考接收通道(33)中分别安装有第二快门组件(322)和第三快门组件(331)。

9.根据权利要求8所述的水体光吸收和衰减测量仪，其特征在于，所述第一快门组件(116)、第二快门组件(322)和第三快门组件(331)均为电动快门，所述电动快门与光源(112)的开关均由外接的控制器通过控制线缆统一控制。

10.根据权利要求2所述的水体光吸收和衰减测量仪，其特征在于，所述第一水样通道(21)的内壁上涂覆有反射膜层，所述以第二水样通道(22)的内壁经过发黑处理。