CN101413888A

CN101413888A - 一种水体广角体散射函数测量系统

Info

Publication number: CN101413888A
Application number: CNA2008102195776A
Authority: CN
Inventors: 李彩; 柯天存; 曹文熙; 杨跃忠; 卢桂新; 郭超英
Original assignee: South China Sea Institute of Oceanology of CAS
Current assignee: South China Sea Institute of Oceanology of CAS
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2009-04-22

Abstract

本发明提供一种水体广角体散射函数测量系统，其结构主要包括：水体体散射函数测量装置及测量系统数据采集电路，所述的水体体散射函数测量装置由光源、透射光探测探头和若干个散射光探测探头分别安装于一个半圆环机架的圆环半径的不同位置构成，分别测量0°～180°范围内不同方向的透射、散射光信号，光源、透射光探测探头和各散射光探测探头分别通过水密电缆与测量系统数据采集电路连接，由测量系统数据采集电路对测量装置的数据采集及存储过程进行控制。本测量系统能够对水体的透明度及0～180°范围内多角度水体体散射函数进行现场在线同步测量，可以用于现场水体散射特性及水体固有光学特性的剖面分析。

Description

一种水体广角体散射函数测量系统

技术领域

本发明涉及一种水体广角体散射函数的现场同步测量装置。

背景技术

自然水体及其中所含的各类悬浮颗粒物和溶解有机物决定了水体的光学特性，用于描述水体中光散射方向性的体散射函数(VSF)是水体的一个非常重要的固有光学特性参数，利用体散射函数及吸收系数，根据水体固有光学特性的闭合性(即：a+b＝c)以及水体体散射函数与各散射系数之间的相关性，可以推算得到水体的其它固有光学特性参数如：散射系数、后向散射系数、前向散射系数、散射相函数以及衰减系数等等；这些参数在研究海面热平衡、海洋浮游植物生产力、光反应化合物的化学传输等领域均具有非常重要的意义。

到目前为止，人们对于水体的体散射函数的了解还非常少，这在很大程度上归因于VSF的直接测量较为困难。由于水体的散射特性具有较强的方向性，海水的散射主要集中于前向散射，一般占总散射的90％以上，后向散射只占其中非常小的部分，散射信号在0°～180°范围内强度分布跨度较大，相差至少在5～6个数量级之上，即便是同一个方向的散射光信号，不同剖面或不同海域其差距也可达两个数量级。散射光信号的上述特性为水体体散射函数的测量带来了诸多不便，尤其早期光电探测器的灵敏度、稳定性等不可能达到测量的要求，这在一定程度上阻碍了测量仪器的研制和发展。伴随着海洋光学的日趋完善和光电探测器的飞速发展，有关水体体散射函数测量仪的研究也在不断的发展和完善。目前国外已经有商业化的用于水体后向某一固定角度散射特性研究的散射测量仪，这些测量仪器都是通过将后向某一固定角度的体散射函数与后向散射系数相关联，通过测量该角度的体散射函数计算得到后向散射系数，但这种测量仪器无法得到水体的散射系数、前向散射系数以及散射相函数。要想真正得到上述散射特性参数，必须对0～180°范围内的体散射函数进行广角测量，而且，所测信号必须保证在0-180°范围内实现同步；另外，考虑到仪器使用的特殊环境，仪器设计必须使其具有现场使用方便，操作简单、智能化的特点。

发明内容

本发明的目的是设计一种能够对水体的透明度及0～180°范围内多角度水体体散射函数进行现场在线同步测量的水体广角体散射函数测量系统，该测量系统可以用于现场水体散射特性及水体固有光学特性的剖面分析。

为此，本发明提出以下技术方案，所设计的水体广角体散射函数测量系统，主要包括：水体体散射函数测量装置及测量系统数据采集电路，所述的水体体散射函数测量装置由光源、透射光探测探头和若干个散射光探测探头分别安装于一个半圆环机架的圆环半径的不同位置构成，每个探头均与光源的轴线共面，其中，光源与透射光探测探头分别位于半圆环直径的两端，其光源出射光的中心位置与透射光探测器的视场角的中心位置的夹角为0°，各个散射光探测探头分布在半圆环机架的其他方向，其光源出射光的中心位置与不同方向散射光探测探头的视场角中心位置之间的夹角在大于0°，小于180°的范围内，光源、透射光探测探头和各散射光探测探头分别通过水密电缆与测量系统数据采集电路连接。

所述光源由方波发生电路、低噪音放大电路、半导体激光器、激光准直系统、线偏振片、1/4波片、出光口水密玻璃构成。所述方波发生器的方波输出端与低噪音放大电路的输入端相连，放大电路的输出端与半导体激光器的脉冲驱动控制端相连，方波发生器和低噪音放大电路共同构成了半导体激光器的频率调制电路，半导体激光器输出的脉冲激光穿过激光准直系统、线偏振片及1/4波片后形成准直的、非偏振脉冲激光经出光口水密玻璃射出。

所述透射光探测探头及若干个不同方向散射光探测探头由入光口水密玻璃、聚光透镜、光阑、光电探测器、选频、交流放大及整流电路和RC滤波电路构成；从入光口水密玻璃入射的散射光经聚光透镜聚焦后由光电探测器探测光信号，光阑安装在聚光透镜和光电探测器之间，用于限定透镜的接收视场角，选频电路的信号输入端与光电探测器的信号输出端连接，用于将探测器接收到的调制电信号处理成为与调制频率相统一的单一波长的交流信号，交流放大电路的信号输入端与选频电路的输出端相连，用于对单一波长交流模拟信号进行放大，整流电路的输入端与交流放大电路的信号输出端相连，用于对放大后的单一波长交流信号进行直流整流得到单向脉动直流信号，RC滤波电路则是对整流后的脉动直流信号进行平滑处理。

所述测量系统数据采集电路包括微电脑电路、高速数据存储电路、时钟电路、A/D转换电路，所述微电脑电路通过其上的UART0串口的TX0和RX0与上位PC机之间进行串行通讯，微电脑电路通过其上的双向二线制串行总线的数据线SDA和时钟线SCL与时钟电路连接，微电脑电路的地址/数据总线与高速数据存储电路的地址/数据总线连接在一起，微电脑电路通过其上的双向四线制串行总线的MISO、MOSI、SCK和NSS与A/D转换电路连接，所述A/D转换电路的模拟输入端通过水密电缆连接透射及不同散射光探头输出的平滑的直流模拟信号。

所述测量系统数据采集电路通过微电脑电路上的双向二线制串行总线、地址/数据总线及四线制串行总线对测量装置的数据采集及存储过程进行控制，其控制步骤包括：

1)、从时钟电路中读取采样时间并暂存；

2)、启动A/D转换电路对透射及散射光信号进行数字化并将量化结果读入暂存；

3)、对量化结果进行处理并将处理结果连同采样时间一起在线存入数据存储电路中。

本发明的有益技术效果：本发明所提供的广角水体体散射函数测量系统利用多个探测器在0～180°范围内多个角度对水体体散射函数进行现场同步测量，进而获得前向、后向散射测量仪器难以得到的水体散射系数、前向散射系数以及散射相函数等相关水体散射特性参数。整个测量过程中无任何移动部件，在实现测量数据同步、快速的同时也确保仪器测量数据具有很好的重复性和稳定性。本测量系统对开展现场水体散射特性及水体固有光学特性的剖面分析和研究，从而实现对整个水体光学特性的全面、客观了解具有重要的作用。

附图说明

图1为本发明所述测量系统的测量装置结构示意图；

图2为本发明测量装置中光源的内部组成结构示意图；

图3为本发明测量装置中透射、散射光探头的内部结构示意图；

图4为本发明测量装置中透射、散射光探头中选频、放大及整流电路示意图；

图5为本发明所述测量系统数据采集电路的组成结构示意图；

图6为本发明所述水体广角体散射函数测量系统的现场测量结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施例的结构细节作进一步的详细说明：

参见附图1，本发明所述广角水体体散射函数测量装置，具有一个半圆环机架10，该机架上安装设置有光源1，透射光探测探头2和7个散射光探测探头3-9，其中，光源1与透射光探测探头2分别位于半圆环直径的两端，透射光探测探头2用于测量0°透射光信号，7个散射光探测探头3、4、5、6、7、8、9分别位于半圆环机架上的20°、45°、70°、90°、126°、140°、160°七个不同方向，即这7个散射光探测探头的视场角中心位置与光源出射光的中心位置的夹角分别为20°、45°、70°、90°、126°、140°、160°，分别用于测量20°、45°、70°、90°、126°、140°、160°等七个不同方向散射光信号，之所以选择上述几个角度进行测量，主要是因为上述角度光信号的测量结果对于水体的散射特性及水体固有光学特性的研究最具代表性，透射光探测探头2和散射光探测探头3、4、5、6、7、8、9等八个测量探头的视场角中心线与光源1的出光口的轴线处于同一平面内，圆环的半径为25cm。

所述光源1包括方波驱动电路11、半导体激光器12、激光准直透镜13、线偏振片14、1/4波片15、出光口水密玻璃16；所述方波发生电路主要由“NE555”时基电路U0、小功率NPN晶体三极管“C1815”T1及相关外围电路组成，所述半导体激光器12采用波长为532nm的绿光半导体激光器、所述线偏振片14和1/4波片15共同组成激光消偏系统，具体结构如图2所示，方波驱动电路11产生的频率为300Hz、占空比为1：1的方波经输出端接半导体激光器12的脉冲驱动控制端，控制半导体激光器12的激光输出频率为300Hz，半导体激光器12所输出的激光光束经激光准直透镜13准直成为平行光束后入射至线偏振片14，经线偏振片14输出准直线偏振光，该线偏振光穿过1/4波片15后得准直圆偏振光经出光口水密玻璃16出射至水体中。

所述透射光探测探头2及7个不同方向的散射光探测探头3-9的内部组成结构是相同的，包括入光口水密玻璃17、聚光透镜18、光阑19、光电探测器20、选频、放大及整流电路21、RC滤波电路22，如图3所示，所述光电探测器20采用高灵敏度Si光电二极管“S8746”，被水体散射的光信号经入光口水密玻璃17入射进入，经聚光透镜18聚光，再经光阑19将散射光束的视场角限定在一定角度范围内(透射光探测探头2、散射光探测探头3、4及5的接收视场角小于0.5°，散射光探测探头6、7、8、9的接收视场角不超过2.2°)，光电探测器20采用硅光电二极管“S8746”，接收散射、透射光信号并将其转换为相应的电信号AD_Ai(i＝1～8)经其输出端输出至选频、放大及整流电路21的信号输入端，在选频、放大及整流电路21的输出端得到满足A/D量化需要的直流脉动信号A_DDi(i＝1～8)，RC滤波电路22对AD_Di进行平滑处理后得直流模拟信号ADi(i＝1～8)输出，上述直流信号经水密电缆传输至测量系统数据采集电路的模拟信号输入端。

如图4所示，所述选频、放大及整流电路21由四路低功耗JFET输入通用运算放大器“TL064”U1，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10，电容C1、C2、C3，二极管D1、D2构成，其中“TL064”U1的第一路运算放大器U1A和R1、R2、R3以及C1、C2共同组成一个带通滤波电路23，U1的第二路运算放大器U1B和R4、R5、R6一起构成交流放大电路24，带通滤波电路23的输出端和交流放大电路24的输入端之间通过隔直电容C3连接，U1的第三、四路运算放大器U1C、U1D和电阻R7、R8、R9、R10以及二极管D1、D2共同构成一个全波整流电路25。经硅光电二极管“S8746”20的输出端输出的交流光电信号AD_Ai(i＝1～8)接入带通滤波电路23的输入端，在带通滤波器的输出端可以得到中心频率为300Hz、带宽为50Hz的交流信号，该信号经C3隔直后送入交流放大电路24放大，放大后的交流信号直接经全波整流电路25整流后形成单向、直流脉动信号A_DDi(i＝1～8)送入RC滤波22电路进行平滑处理。

所述测量系统数据采集电路包括微电脑电路、串行通讯接口电路、模数转换电路、时钟电路、数据存储电路，所述微电脑电路采用具有64个数字I/O引脚、内部自带64KByte的非易失性Flash存储器以及可同时使用的硬件UART0串口、全双工四线制串行总线SPI接口、半双工双线双向串行总线SMBus接口的单片机“C8051F020”26，所述时钟电路采用具有硬件双线双向串行总线SMBus接口的时钟芯片PCF8563”27，它为测量系统提供精确的采样时间和测量频率，所述模数转换电路采用同样具有硬件全双工四线制串行总线SPI接口的、内部具有通道选择寄存器MUX的八通道、24位高精度A/D转换芯片“ADS1216”28，可以同时完成包括透射和七个方向散射光电信号的量化处理，所述数据存储电路采用32Mbit Flash数据存储器“28F320S3”29，利用该存储器对现场测量数据进行实时自容式保存，所述的串行通讯接口电路采用串行通讯接口芯片“MAX3232”30。数据采集电路的具体电路如图5所示，单片机“C8051F020”26的SDA和SCL分别与时钟芯片“PCF8563”27的SDA和SCL相连，实现单片机26与时钟芯片27之间的二线制SMBus串行通讯；单片机26的MISO、MOSI、SCK和NSS分别与A/D转换芯片28的Dout、Din、SCLK和CS相连，实现单片机26与A/D转换芯片28之间的全双工SPI串行通讯，单片机26的P0.6与A/D转换芯片28的DSYNC引脚相连，用于向A/D转换芯片28提供精确的A/D转换同步控制，单片机26的P0.7与A/D转换芯片28的DRDY引脚相连，用于A/D转换芯片28向单片机26提供A/D转换结束的状态信息，A/D转换芯片28的八通道模拟信号输入端A_in1～A_in8直接接透射及七个方向散射光探测探头输出的直流模拟信号AD1～AD8；单片机26的D0～D7分别与Flash数据存储器29的数据线D0～D7对应连接，单片机26的A0～A15以及P4.0～P4.5分别与Flash数据存储器29的22根地址线A0～A15及A16～A21对应相连，Flash数据存储器29的历史存储地址被记录在单片机26内部自带的64Kbyte Flash存储器中，以便于存储器29读写过程中正确的地址寻址；单片机26的UART0串口的TX0和RX0分别与串行通讯接口芯片30的Tin和Rout相连，串行通信接口芯片30的Tout和Rin和GND分别与上位PC机31的串行通讯端的Rin和Tout端以及GND端相连，实现单片机26与上位PC机31之间的串行通讯。

当需要进行采样时，测量系统数据采集电路通过其中的单片机“C8051F020”26对测量系统的工作过程控制如下：

A、上电初始化，置P0.6＝1；

B、启动SMBus串行通讯总线，读取时钟芯片27中的当前时间，并将该时间作为当前采样开始时间缓存于单片机26的内部数据存储区中；

C、NSS端置0，确保A/D转换芯片28选中，启动SPI串行通讯总线初始化A/D转换芯片28；

D、将需要写入A/D转换芯片28通道寄存器MAX中的初始值写入单片机寄存器R0中，设定A_in1作为A/D转换芯片28的首个转化通道；

E、将R0中的数值通过SPI总线写入A/D转换芯片28的通道寄存器MAX中；

F、置P0.6＝0，延时1μm后置P0.6＝1，启动A/D转换芯片28的第一通道A/D转换过程；

G、判断P0.7电平状态，当P0.7＝0时，A/D转换芯片28的一次A/D转换完成，启动SPI串行通讯总线读取A/D转换芯片28的转换结果，并将该结果缓存于单片机26内部的数据存储区中；

H、判断A/D转换芯片28的当前转换通道是否为第8通道，如果是，转至步骤I，否则，将R0中的通道值增加1，并重复至步骤E继续；

I、从单片机26的64Kbyte Flash存储器中读取上一次数据存储地址的末地址加1作为Flash数据存储器29的当前数据存储起始地址，并将临时储存在数据存储区中的采样时间和透射及散射光测量结果依次在线保存至Flash数据存储器29中；

J、将Flash数据存储器29的当前地址写入单片机26的64K byte Flash存储器中待用；

K、若需重复采样，转至步骤B继续。

采样结束后，上位PC机31可以根据需要通过串行通讯接口30读取测量系统中的在线储存数据。

为检验本发明的可靠性，将其投入南海北部做现场试验，与Petzold的经典值的对比结果令我们满意，结果如图6所示。

Claims

1、一种水体广角体散射函数测量系统，其特征在于包括：水体体散射函数测量装置及测量系统数据采集电路，所述的水体体散射函数测量装置由光源、透射光探测探头和若干个散射光探测探头分别安装于一个半圆环机架的圆环半径的不同位置构成，每个探头均与光源的轴线共面，其中，光源与透射光探测探头分别位于半圆环直径的两端，其光源出射光的中心位置与透射光探测器的视场角的中心位置的夹角为0°，各个散射光探测探头分布在半圆环机架的其他方向，其光源出射光的中心位置与不同方向散射光探测探头的视场角中心位置之间的夹角在大于0°，小于180°的范围内，所述的测量系统数据采集电路包括A/D转换电路和微电脑电路，透射光探测探头和各散射光探测探头的输出信号通过A/D转换电路与微电脑电路连接。

2、根据权利要求1所述的水体广角体散射函数测量系统，其特征在于设有7个散射光探测探头，这7个散射光探测探头的视场角中心位置与光源出射光的中心位置的夹角分别为20°、45°、70°、90°、126°、140°、160°。

3、根据权利要求1所述的水体广角体散射函数测量系统，其特征在于所述的光源由方波发生电路、低噪音放大电路、半导体激光器、激光准直系统、线偏振片、1/4波片、出光口水密玻璃构成，所述方波发生器的方波输出端与低噪音放大电路的输入端相连，放大电路的输出端与半导体激光器的脉冲驱动控制端相连，方波发生器和低噪音放大电路共同构成了半导体激光器的频率调制电路，半导体激光器输出的脉冲激光穿过激光准直系统、线偏振片及1/4波片后形成准直的、非偏振脉冲激光经出光口水密玻璃射出。

4、根据权利要求1所述的水体广角体散射函数测量系统，其特征在于所述的透射光探测探头和散射光探测探头由入光口水密玻璃、聚光透镜、光阑、光电探测器、选频、交流放大及整流电路和RC滤波电路构成；从入光口水密玻璃入射的散射光经聚光透镜聚焦后，再经光阑输入光电探测器，光电探测器的信号输出端与选频电路的信号输入端连接，选频电路的输出端与交流放大电路的信号输入端连接，交流放大电路的信号输出端与整流电路和RC滤波电路连接。

5、根据权利要求1所述的水体广角体散射函数测量系统，其特征在于所述的测量系统数据采集电路中的微电脑电路接有数据存储电路和时钟电路，该微电脑电路通过其上的UART0串口的TX0和RX0通过串行通信接口与上位PC机通讯，通过其上的双向二线制串行总线的数据线SDA和时钟线SCL与时钟电路连接，通过其上的双向四线制串行总线的MISO、MOSI、SCK和NSS与A/D转换电路连接，微电脑的地址/数据总线与数据存储电路的地址/数据总线连接在一起，所述A/D转换电路的模拟输入端通过水密电缆接收透射光探测探头和各散射光探测探头的输出信号。