CN100456015C - 激光水质测量方法及其测量仪 - Google Patents

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Abstract

一种激光水质测量方法及其测量仪，可通过对水体各个层面后向散射光的在线测量，得到水体一个维度上不同层面的水质信息，即后向散射水体本征曲线，通过对该曲线作信息提取处理可以得出水体的吸收系数、散射系数以及浊度。该本征曲线还为水体成分分析或鉴定、鉴别提供了新的途径，并可用于水下深度测量及赤潮的监测和预报。本发明包括控制单元、伪随机信号发生及同步处理单元、D/AC单元、信号调理单元、A/DC单元、光学发射装置和光学接收装置。本发明测量信息量大、测量效率高，进行大范围水质测量时可以减少测量时间，降低测量成本。

Description

激光水质测量方法及其测量仪
技术领域
一种激光水质测量方法及其测量仪，用于水体吸收系数、散射系数和浊度等物理指标的测定以及水深测量、赤潮的监测和预报。
背景技术
水体质量分析包括化学分析和物理分析两个方面；前者主要针对水中所含的化学物质，特别是对人体有害的化学物质的成分和量级，而后者多与水体中的悬浮物有关，它们直接影响水体吸收系数、散射系数和浊度等物理指标。这些与水体外观相关的指标也同样反映了工业和居民用水的质量，直接关系到人民的身心健康。为此，国家建设部在《城市供水行业2000年技术进步发展规划》中，对上述物理指标和监测仪器提出了更高的要求。供水企业和环保部门迫切需要测量精度更高、使用方便的仪器和方法。
上海大学机械电子工程学院陆明刚等人的《散射式浊度测量仪》(现代计量测试1998年第2期)一文在提及美国HACH公司生产的RATD/XR型和2100型浊度测试仪的同时，公开了一种自行研制的散射式浊度测量仪。它是通过测量水体中某一位置的某些物理参数来反映水质特点，可以实现在线测量，但一次测量只能得出水体一个局部点的水质参数，信息量较少，测量效率不高；进行区域的多点水质参数测量时往往耗时较长，增加了测量成本。
发明内容
本发明的目的是公开一种激光水质测量方法及其测量仪。它是利用调制有伪随机信息的连续激光作为测量输出光信号，光信号经过水体的后向散射作用后，部分测量信号散射回光源处，被光学接收装置接收并且做光电转换，将电信号与发射光信号的伪随机调制信号做相关运算，利用伪随机序列的相关特性，得到一条携带了水体水质信息的后向散射水体本征曲线，通过适当的信息提取方法，便可得到水体的吸收系数、散射系数以及浊度；该本征曲线还为水体成分分析或鉴定、鉴别提供了新的途径；并可用于水深测量和赤潮的监测和预报。其有益效果在于：除适宜在线测量之外，还可得到整个测量方向上各个点的水质信息，大大提高水体水质分析的效率，降低分析成本。
激光水质测量仪包括控制单元、伪随机信号发生及同步处理单元、D/AC单元、信号调理单元、A/DC单元、光学发射装置、光学接收装置；其中，伪随机信号发生及同步处理单元包括控制接口、伪码发生单元I、相位调整单元、伪码发生单元II，采样同步信号单元、累加器、乘法器；光学发射装置包括激光器、聚焦单元、声光调制器、准直单元；光学接收装置包括光电倍增管、望远镜单元、滤光片。
控制单元由DSP或单片机构成，伪随机信号发生及同步处理单元由可编程逻辑芯片实现，此伪随机序列发生器产生两路伪随机序列，第一路伪随机序列经过D/AC单元进行数-模转换后作为调制信号送给光学发射装置；第二路伪随机序列的相位滞后于第一路伪随机序列，二者相位差由相位调整单元控制，相位差调整区间为0°～360°，作为后续相关运算的参考信号。光学发射装置将调制好的连续激光测量信号发射到被测水体中，激光在水中传播时，水体中的水分子，悬浮粒子等对激光有吸收和散射作用，而在传播方向上的不同层面都会有后向散射的光传回到光学接收装置，返回的散射光调制信号光与发出的激光调制信号光仅存在幅度和相位上的差别，幅度上的衰减由吸收和散射引起，而相位上的差别反映了发生后向散射的水体层面与光学接收装置的相对位置关系，而且返回信号与本地信号的相位差和当前被测层面的位置是一一对应的关系；散射光信号经过滤光片可以滤除光信号波段以外的噪声，望远镜单元为光电倍增管收集光信号，光电倍增管将光信号变成电信号，并送入信号调理单元，A/DC单元进行高速A/D信号采集，A/DC单元的启动由伪随机信号发生及同步处理单元中的相位调整单元控制，以确保采样信号与本地信号当前值相位值相同，将采样信号与本地信号送入乘法器和累加器，实现两信号的相关运算，并将运算结果送回到控制单元，根据伪随机测距码的统计特性，可以得到激光在传播方向上每一个层面返回信号的等效自相关值，进而得到一条距离与自相关值一一对应的曲线，即反映水体水质信息的后向散射水体本征曲线，通过适当的信息提取方法，便可得到激光传播方向上一个维度不同层面的水质信息。
附图说明
图1激光水质测量仪的结构框图
图2激光水质测量仪的伪随机信号发生及同步处理单元框图
图3激光水质测量仪的电路图
具体实施方式
下面给出本发明的优选实施方式，并结合附图加以说明。
如图1所示，激光水质测量仪包括控制单元(1)、伪随机信号发生及同步处理单元(2)、D/AC单元(3)、信号调理单元(5)、A/DC单元(6)、光学发射装置(14)和光学接收装置(15)；其中，控制单元(1)将控制信号传送给伪随机信号发生及同步处理单元(2)；并经D/AC单元(3)、驱动器(17)与光学发射装置(14)连接，经A/DC单元(6)、信号调理单元(5)与光学接收装置(15)相连。
控制单元(1)可以是DSP、单片机或其他计算机系统，它将控制信号传送给伪随机信号发生及同步处理单元(2)。伪随机信号发生及同步处理单元(2)可采用编程逻辑芯片EP1K10TC144-1；DSP使用TMS320VC5402；单片机使用AT89s51。
如图2、3所示，伪随机信号发生及同步处理单元(2)包括控制接口(7)、伪码发生单元I(8)、相位调整单元(9)、伪码发生单元II(10)、采样同步信号单元(11)、累加器(12)和乘法器(13)；其中控制接口(7)与控制单元(1)相连；并经伪码发生单元I(8)与D/AC单元(3)相连；相位调整单元(9)分别与控制接口(7)、伪码发生单元II(10)、采样同步信号单元(11)相连；伪码发生单元II(10)顺序与乘法器(13)、累加器(12)相连；累加器(12)的输出信号反馈给控制单元(1)；采样同步信号单元(11)、乘法器(13)与A/DC单元(6)相连。
控制接口(7)用来接收控制单元(1)的控制信号。伪码发生单元I(8)根据控制信号生成伪随机序列，并经过D/AC单元(3)进行数-模转换、滤波，产生一个调制有伪随机信息的正弦信号Sx。正弦信号Sx根据伪随机码的0、1取值作相应的相位调整，每个码片由一个或多个周期的正弦信号组成，其频率不低于1MHz，并被送给光学发射装置(14)；相位调整单元(9)根据控制接口(7)的控制信号产生一个相位控制命令，控制伪码发生单元II(10)，使其产生一个本地伪码信号SL。SL只在相位上与伪码发生单元I(8)产生的伪码不同。本地信号SL送入乘法器(13)，与来自A/D转换器的信号相乘，并与乘法器(13)后端的累加器(12)共同实现相关运算，再将运算结果送回到控制单元(1)。
如图1所示，光学发射装置(14)包括激光器(16)、聚焦单元(18)、声光调制器(19)和准直单元(20)；其中，声光调制器(19)与驱动器(17)相连。声光调制器(19)使用TSGMG-1/Q，工作频率150M，衍射效率＞70％，光学透过率93＞％。
光学发射装置(14)中的激光器(16)发出波长为蓝绿光波段或红光波段的连续激光，经过聚焦单元(18)将激光汇聚到声光调制器(19)上，调制信号Sx经过驱动器后加载到声光调制器(19)上，从声光调制器(19)输出的调制光信号经过准直单元(20)将调制好的连续激光信号发射出去。激光器(16)使用DPSSL 532nm，功率3W，发散角全角mrad＜1.5，光斑直径1～2/e2(mm)。
如图1所示，光学接收装置(15)包括光电倍增管(21)、望远镜单元(22)和滤光片(23)；其中，光电倍增管(21)与信号调理单元(5)相连。光电倍增管(21)使用CR115。
激光信号经过水体的吸收和散射作用，部分激光会发生后向散射而返回到光学接收装置(15)，后向散射光由于水体的吸收和散射作用在幅度会产生衰减，随着散射发生处空间位置的不同，返回光信号的相位也会发生相应的变化，返回光信号通过滤光片(23)时，可以滤出信号光频段之外的其他频段的干扰噪声，再通过望远镜单元(22)将光信号收集到光电倍增管(21)上，于是，光信号转变为电信号，再经过信号调理单元(5)送入A/DC单元(6)。A/DC单元(6)根据伪随机信号发生及同步处理单元(2)中的采样同步信号单元(11)发出的同步信号适时启动，使采样信号与参考信号在该点等相位，并将转换结果送入伪随机信号发生及同步处理单元(2)中进行数字相关计算处理。
本发明通过对水体各个层面后向散射光的在线测量，得到了水体一个维度上不同层面的水质信息，即后向散射水体本征曲线，通过对该曲线作信息提取处理可以得出水体的吸收系数、散射系数以及浊度。该本征曲线还为水体成分分析或鉴定、鉴别提供了新的途径，并可用于赤潮的监测和预报。该方法的有益效果是测量信息量大、测量效率高，进行大范围水质测量时可以减少测量时间，降低测量成本。

Claims (2)

1.一种激光水质测量方法，其特征在于：它是利用调制有伪随机信息的连续激光作为测量输出光信号，光信号经过水体的后向散射作用后，部分测量信号散射回光源处，被光学接收装置接收并且做光电转换，将电信号与发射光信号的伪随机调制信号做相关运算，利用伪随机序列的相关特性，得到一条携带了水体水质信息的后向散射水体本征曲线，并从中提取出水体的吸收系数、散射系数以及浊度。
2.一种激光水质测量仪，它包括控制单元(1)、伪随机信号发生及同步处理单元(2)、D/AC单元(3)、信号调理单元(5)、A/DC单元(6)、光学发射装置(14)和光学接收装置(15)；其中，控制单元(1)将控制信号传送给伪随机信号发生及同步处理单元(2)；并经D/AC单元(3)、驱动器(17)与光学发射装置(14)相连，经A/DC单元(6)、信号调理单元(5)与光学接收装置(15)相连；其特征在于：伪随机信号发生及同步处理单元(2)包括控制接口(7)、伪码发生单元I(8)、相位调整单元(9)、伪码发生单元II(10)、采样同步信号单元(11)、累加器(12)和乘法器(13)；其中控制接口(7)与控制单元(1)相连；并经伪码发生单元I(8)与D/AC单元(3)相连；相位调整单元(9)分别与控制接口(7)、伪码发生单元II(10)、采样同步信号单元(11)相连；伪码发生单元II(10)顺序与乘法器(13)、累加器(12)相连；累加器(12)的输出信号反馈给控制单元(1)；采样同步信号单元(11)、乘法器(13)与A/DC单元(6)相连；光学发射装置(14)包括激光器(16)、聚焦单元(18)、声光调制器(19)和准直单元(20)；其中，激光器(16)发出波长为蓝绿光波段或红光波段的连续激光，经过聚焦单元(18)汇聚到声光调制器(19)上，再经准直单元(20)发射出去；声光调制器(19)又与驱动器(17)相连。
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