CN208076024U - 水体光学衰减系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水体光学衰减系数测量装置，包括光源、探测器、与所述探测器连接且带动所述探测器沿光路移动的移动机构以及与所述探测器连接的中央处理器，所述探测器为照度计或功率计或能量计或单点探测器或面阵探测器，所述探测器的探测面的尺寸大于所需探测的光斑的尺寸。首先通过探测器测量光源发出的光束的初始辐照度值或初始单脉冲能量值或初始辐射功率值或初始信号强度值，接着通过移动机构带动探测器沿光路移动，测量不同距离对应的辐照度值或单脉冲能量值或辐射功率值或初始信号强度值，针对得到的多组测量数据进行拟合，得到水体的光学衰减系数值。本实用新型结构简单，成本低廉，使用方便，效果可靠，准确度高。

Description

水体光学衰减系数测量装置

技术领域

本实用新型涉及水下光学探测领域，具体涉及一种水体光学衰减系数测量装置。

背景技术

近年来，水下光学探测的应用越来越广泛，包括水体污染检测、激光探测等，而现有的水下光学成像设备没有通用的性能指标和标准，即不同的成像设备在不同水体条件下得到的最远成像距离结果之间没有关联性。目前，学术界通用的不同环境下衡量水下成像距离的性能参数采用光学衰减系数及其倍数来描述，然而由于水体对光的吸收和散射是很复杂的物理过程，准确测量水体的衰减系数非常困难。国际上通常采用仪器来观测光能量在水中的衰减，以确定其对光的衰减系数，如Wetlabs生产的AC系列衰减系数测量仪，然而该产品的价格达到数百万，并不适用于商业应用。

因此，提供一种成本低、使用方便、测量准确的水体光学衰减系数测量装置不仅非常必要，也是水下光学探测技术发展过程中的重要环节。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的问题，提供了一种成本低、使用方便、准确度高的水体光学衰减系数测量装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种水体光学衰减系数测量装置，包括光源、探测器、与所述探测器连接且带动所述探测器沿光路移动的移动机构以及与所述探测器连接的中央处理器，所述探测器为照度计或功率计或能量计或单点探测器或面阵探测器，所述探测器的探测面的尺寸大于所需探测的光斑的尺寸。

进一步的，所述光源为连续光光源或脉冲光源，所述光源沿光路后方设有窄带滤光片。

进一步的，所述光源为脉冲光源，所述探测器为能量计。

进一步的，所述探测器为照度计或功率计或能量计，所述光源与所述照度计或功率计或能量计之间设有光斑尺寸探测单元，所述光斑尺寸探测单元与所述照度计或功率计或能量计之间还设有可变光阑，所述光斑尺寸探测单元和可变光阑分别与移动机构和中央处理器连接。

进一步的，所述光斑尺寸探测单元包括设于光路上的分光器和与所述分光器对应的面阵探测器。

进一步的，所述探测器为面阵探测器，所述光源与所述面阵探测器之间还设有可变光阑。

进一步的，所述探测器为单点探测器，所述光源与所述单点探测器之间还设有收光装置，所述收光装置的口径大于光斑的尺寸。

本实用新型还提供一种水体光学衰减系数测量装置的测量方法，包括以下步骤：

S1:探测器测量光源发出的光斑的初始参数信息，该初始参数信息为初始辐照度值或初始单脉冲能量值或初始辐射功率值或初始信号强度值；

S2:移动机构带动探测器沿光路移动一段距离，测量对应距离的辐照度值或单脉冲能量值或辐射功率值或信号强度值，并将该测量数据上传至中央处理器；

S3：重复步骤S2若干次，得到不少于三组距离与辐照度值或能量值或辐射功率值或信号强度值的测量数据；

S4：中央处理器针对所有的距离与辐照度值或能量值或辐射功率值的测量数据进行拟合，得到当前水体的衰减系数值。

进一步的，所述光源发出的光束在水体中的传播过程满足下列公式：

P_l＝P₀e^-αl；

M_l＝M₀e^-αl；

S_l＝S₀e^-αl；

所述光源为脉冲光源时，光束在水体中的传播过程还满足：E_l＝E₀e^-αl；

其中P₀为光源发出的光束的初始辐射功率值，l为距离，P_l为光束在水中传播距离l后对应的辐射功率值，α为衰减系数；M₀为光源发出的光束的初始辐照度值，M_l为光束在水中传播距离l后对应的辐照度值；S₀为光源发出的光束的初始信号强度值，S_l光束在水中传播距离l后对应的信号强度值；E₀为光源发出的光束的初始单脉冲能量值，E_l光束在水中传播距离l后对应的单脉冲能量值。

进一步的，所述步骤S2中，当所述探测器的探测面的尺寸大于光斑的尺寸时，首先测量光斑的尺寸，然后使探测器仅探测光斑对应的参数信息。

本实用新型提供的水体光学衰减系数测量装置，包括光源、探测器、与所述探测器连接且带动所述探测器沿光路移动的移动机构以及与所述探测器连接的中央处理器，所述探测器为照度计或功率计或能量计或单点探测器或面阵探测器，所述探测器的探测面的尺寸大于所需探测的光斑的尺寸。首先通过探测器测量光源发出的光束的初始辐照度值或初始单脉冲能量值或初始辐射功率值或初始信号强度值，接着通过移动机构带动探测器沿光路移动，测量不同距离对应的辐照度值或单脉冲能量值或辐射功率值或初始信号强度值，针对得到的多组测量数据进行拟合，得到水体的光学衰减系数值。本实用新型结构简单，成本低廉，使用方便，效果可靠，准确度高。

附图说明

图1-3分别是本实用新型水体光学衰减系数测量装置三个具体实施例的结构示意图。

图中所示：10、光源；20、探测器；30、移动机构；40、中央处理器；510、分光器；520、面阵探测器；60、可变光阑；70、收光装置；80、窄带滤光片。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细描述：

如图1-3所示，本实用新型提供的一种水体光学衰减系数测量装置，包括光源10、探测器20、与所述探测器20连接且带动所述探测器20沿光路移动的移动机构30以及与所述探测器20连接的中央处理器40，所述探测器20为照度计或功率计或能量计或单点探测器或面阵探测器，所述探测器20的探测面的尺寸大于所需探测的光斑的尺寸。优选的，所述光源10为连续光光源或脉冲光源，所述光源10沿光路后方设有窄带滤光片80。具体的，为了准确测量光斑的初始参数信息和在水中传播一定距离后的参数信息，光源10发出的光斑的尺寸不大于探测器20的探测面的尺寸，且光源10采用高准直度光源，准直度达到mrad量级，尽量接***行光，以免传播一定距离后光斑面积大于探测器20的探测面，导致探测不准确。光源10为连续光源时，探测器20可以是照度计或功率计或单点探测器或面阵探测器，探测光源10发出的光斑的辐照度或辐射功率或信号强度，由于光源10发出的光束在水体中传播满足P_l＝P₀e^-αl或M_l＝M₀e^-αl或S_l＝S₀e^-αl；其中P₀为光源10发出的光束的初始辐射功率值，l为距离，P_l为光束在水中传播距离l后对应的辐射功率值，α为衰减系数；M₀为光源10发出的光束的初始辐照度值，M_l为光束在水中传播距离l后对应的辐照度值；S₀为光源10发出的光束的初始信号强度值，S_l光束在水中传播距离l后对应的信号强度值；因此选择上述任意一项参数信息，通过测量初始参数信息值和至少三个不同距离对应的参数信息，从而得到一个测量值的向量和距离的向量，然后将测量值进行指数函数的拟合，即可得到当前水体的光学衰减系数值，其中的距离可以是等间距也可以是非等间距的，为了更精确地拟合出水体的光学衰减系数，可以增加测量数据，如获取6组以上不同距离对应的测量数据。当然，探测器20也可以采用其他仪器，只要该仪器测得的参数信息满足上述光束在水中传播时的规律即可。此外，由于上述公式仅针对单色光才能成立，因此光源10发出的光线需为单色光，因此光源10为单色光源，或者在光源10后方设置窄带滤光片80，从而满足单色光的测量条件，保证测量精度。本实施例中，移动机构30可以采用导轨和驱动机构，探测器20安装于导轨上，并在驱动机构的带动下沿导轨移动，中央处理器40采用单片机，具有存储、计算、曲线拟合等功能。

优选的，所述光源10为脉冲光源，所述探测器20为能量计，当光源10为脉冲光源时，其发出的光束在水体中的传播过程还满足以下公式：E_l＝E₀e^-αl，其中E₀为光源10发出的光束的初始单脉冲能量值，E_l光束在水中传播距离l后对应的单脉冲能量值。

请重点参照图1，所述探测器20为面阵探测器，所述光源10与所述面阵探测器20之间还设有可变光阑60。具体的，当探测器20为面阵探测器时，首先将可变光阑60的通光孔设为最大，通过面阵探测器测量光斑的尺寸，接着使可变光阑60的通光孔与光斑的尺寸一致，通过面阵探测器重新测量光斑的信号强度。

请重点参照图2，所述探测器20为照度计或功率计或能量计，所述光源10与所述照度计或功率计或能量计之间设有光斑尺寸探测单元，所述光斑尺寸探测单元与所述照度计或功率计或能量计之间还设有可变光阑60，所述光斑尺寸探测单元和可变光阑60分别与移动机构30和中央处理器40连接。优选的，所述光斑尺寸探测单元包括位于光路上的分光器510和与分光器对应的面阵探测器520。具体的，若探测器20的探测面的尺寸大于光斑的尺寸，则容易接收到其他的散射光，因此，在探测器20探测前，首先通过光斑尺寸探测单元对光斑的尺寸进行探测，即通过分光器510将光束分离出来投射到面阵探测器520上，通过面阵探测器520探测光斑的尺寸，并将测量的数据上传至中央处理器40，控制可变光阑60的通光孔与光斑的尺寸一致，从而使探测器20只能探测光斑对应的参数信息，此时应该将分光器510移出光路，以免影响探测器20的探测准确度，进一步提高测量结果准确度。光斑尺寸探测单元和可变光阑60均与移动机构30连接，通过移动机构30带动其两者与探测器20同步运动。

请重点参照图3，所述探测器20为单点探测器，所述光源10与所述单点探测器之间还设有收光装置70，所述收光装置70的口径大于光斑的尺寸，用于收集全部光斑，便于单点探测器进行探测。

本实用新型还提供一种水体光学衰减系数测量装置的测量方法，包括以下步骤：

S1:探测器20测量光源10发出的光束的初始辐照度值或初始单脉冲能量值或初始辐射功率值或初始信号强度值；具体的，当光源10为连续光源时，可以测量其初始辐照度值或初始辐射功率值或初始信号强度值，当光源10为脉冲光源时，可以测量其初始辐照度值或初始单脉冲能量值或初始辐射功率值或初始信号强度值，辐照度值可以采用照度计进行测量，辐射功率值可以采用功率计进行测量，信号强度值可以采用单点探测器或面阵探测器进行测量，其中面阵探测器可以是CCD相机或CMOS相机，且使用面阵探测器进行测量时，得到一个二维分布的信号强度的矩阵，对其进行积分即可得到最终的信号强度值。

S2:移动机构30带动探测器20沿光路移动一段距离，测量对应距离的辐照度值或单脉冲能量值或辐射功率值或信号强度值，并将该测量数据上传至中央处理器；具体的，为了避免探测器20的探测面大于光斑的尺寸，从而接收到其他的散射光而影响探测精度时，可以在探测前首先测量光斑的尺寸，然后改变可变光阑60的通光孔，从而使探测器20只能探测光斑对应的参数信息，提高探测精度。

S3：重复步骤S2若干次，得到不少于三组距离与辐照度值或能量值或辐射功率值或信号强度值的测量数据；具体的，在移动探测器20时，可以等间距移动或者非等间距移动。

S4：中央处理器40针对所有的距离与辐照度值或能量值或辐射功率值的测量数据进行曲线拟合，得到当前水体的光学衰减系数值。

具体的，光源10发出的光束在水体中传播满足P_l＝P₀e^-αl或M_l＝M₀e^-αl或S_l＝S₀e^-αl；其中P₀为光源10发出的光束的初始辐射功率值，l为距离，P_l为光束在水中传播距离l后对应的辐射功率值，α为衰减系数；M₀为光源10发出的光束的初始辐照度值，M_l为光束在水中传播距离l后对应的辐照度值；S₀为光源10发出的光束的初始信号强度值，S_l光束在水中传播距离l后对应的信号强度值；当光源10为脉冲光源时，其发出的光束在水体中的传播过程还满足以下公式：E_l＝E₀e^-αl，其中E₀为光源10发出的光束的初始单脉冲能量值，E_l光束在水中传播距离l后对应的单脉冲能量值。因此选择上述任意一项参数信息，通过测量初始参数信息和至少三个不同距离对应的参数信息，从而得到一个探测值的向量和距离的向量，然后将测量值进行指数函数的拟合，即可得到当前水体的衰减系数值，其中的距离可以是等间距也可以是非等间距的，为了更精确地拟合出水体的光学衰减系数，可以增加测量数据，如获取6组及以上不同距离对应的测量数据。

综上所述，本实用新型提供的水体光学衰减系数测量装置，包括光源10、探测器20、与所述探测器20连接且带动所述探测器20沿光路移动的移动机构30以及与所述探测器20连接的中央处理器40，所述探测器20为照度计或功率计或能量计或单点探测器或面阵探测器，所述探测器20的探测面的尺寸大于所需探测的光斑的尺寸。首先通过探测器20测量光源发出的光束的初始辐照度值或初始单脉冲能量值或初始辐射功率值或初始信号强度值，接着通过移动机构30带动探测器20沿光路移动，测量不同距离对应的辐照度值或单脉冲能量值或辐射功率值或初始信号强度值，针对得到的多组测量数据进行拟合，得到水体的光学衰减系数值。本实用新型结构简单，成本低廉，使用方便，效果可靠，准确度高。

虽然说明书中对本实用新型的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本实用新型的保护范围。在不脱离本实用新型宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种水体光学衰减系数测量装置，其特征在于，包括光源、探测器、与所述探测器连接且带动所述探测器沿光路移动的移动机构以及与所述探测器连接的中央处理器，所述探测器为照度计或功率计或能量计或单点探测器或面阵探测器，所述探测器的探测面的尺寸大于所需探测的光斑的尺寸。

2.根据权利要求1所述的水体光学衰减系数测量装置，其特征在于，所述光源为连续光光源或脉冲光源，所述光源沿光路后方设有窄带滤光片。

3.根据权利要求2所述的水体光学衰减系数测量装置，其特征在于，所述光源为脉冲光源，所述探测器为能量计。

4.根据权利要求1所述的水体光学衰减系数测量装置，其特征在于，所述探测器为照度计或功率计或能量计，所述光源与所述照度计或功率计或能量计之间设有光斑尺寸探测单元，所述光斑尺寸探测单元与所述照度计或功率计或能量计之间还设有可变光阑，所述光斑尺寸探测单元和可变光阑分别与移动机构和中央处理器连接。

5.根据权利要求4所述的水体光学衰减系数测量装置，其特征在于，所述光斑尺寸探测单元包括设于光路上的分光器和与所述分光器对应的面阵探测器。

6.根据权利要求1所述的水体光学衰减系数测量装置，其特征在于，所述探测器为面阵探测器，所述光源与所述面阵探测器之间还设有可变光阑。

7.根据权利要求1所述的水体光学衰减系数测量装置，其特征在于，所述探测器为单点探测器，所述光源与所述单点探测器之间还设有收光装置，所述收光装置的口径大于光斑的尺寸。