CN104251844B - 一种多通道海水透明度测量装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多通道海水透明度测量装置，包括密封的透明度测量盘、光学测量装置和光通信装置；所述光学测量装置嵌置于透明度测量盘的中心位置、测量面位于透明度测量盘正面，所述光学测量装置包括中空连接的上壳体和下壳体，保护玻璃设置于两壳体中空部位,一侧通过橡胶隔离圈与上壳体接触、一侧通过橡胶隔离圈与若干个不同波段的滤光片接触，每个滤光片底部均设置一个穿过下壳体的光电二极管，形成一个通道，若干个不同波段的滤光片与相应的光电二极管形成若干个不同的通道。采用多通道、窄波段测量方式，可获取多个不同通道在海水不同深度的辐射计数值，进而得到不同通道的海水透明度和消光系数廓线。
Description
技术领域
本发明是一种基于光学原理测量海水透明度测量装置及其方法，主要应用于海洋探测领域。
背景技术
海水透明度是指海水的浑浊程度，反映的是海水的消光特性，是海洋基本光学参数，是目前海洋调查工作中海水光学特性测量的基本内容之一。海水透明度的水平和垂直分布，是影响水下通信、水下光学成像、水下激光探测等作用距离和效果的重要因子。开展水下对潜通信、潜艇隐没与反潜、水雷布设与探雷、海床测绘等军事活动均需要实时、准确的海水透明度廓线资料，实时、准确、丰富、长期积累的海水透明度资料对提高海军水文保障能力具有重要意义。
目前海水透明度测量方法有铅字法、十字法、塞氏盘法，主要通过人工观测海水浑浊程度的方式进行，其中，塞氏盘法是一种最为常用的现场海水透明度测量方法。将直径为30cm的白色圆盘(透明度盘，也称塞克透明度测量盘)垂直放入水中，直到刚刚看不见为止。透明度盘“消失”的深度叫透明度。塞氏盘法虽然简便、直观，但测量结果受多因子的影响，如：(1)观测器的性能；(2)观测员主观性；(3)观测现场光照条件；(4)透明度测量盘颜色老化；(5)测量绳倾斜。
目前在海水透明度测量技术研究方面主要集中在国外，如：美国水文光学生物仪器公司(Hydro-Optics)、美国WETLabs公司、美国海洋光学仪器公司(Ocean-Optic)、德国TriOS公司等，相应设备和方法有：美国Hydro-Optics公司c-βeta光衰减测量仪、a-Sphere积分球法光吸收计、HydroRad高光谱水下光谱仪；美国WETLabs公司AC-S水体固有光学特性测量仪；美国Ocean-Optics公司环凹光栅海水测量仪；国内研制的单通道海水透明度仪等。该类仪器均采用内置光源和内置电源的供电方式，仪器系统复杂、价格昂贵。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种多通道海水透明度测量装置及其方法，采用多通道、窄波段测量方式，可获取多个不同通道在海水不同深度的辐射计数值，进而得到不同通道的海水透明度和消光系数廓线，观测数据可与卫星遥感高分辨率通道相对应，适合为大面积精确遥感海水透明度信息提供订正数据；采用内置电容充电供电方式和光通信方式，价格低、简单、实用，信息量大。
本发明的技术方案是：一种多通道海水透明度测量装置，包括密封的透明度测量盘、光学测量装置和光通信装置；
所述光学测量装置嵌置于透明度测量盘的中心位置、测量面位于透明度测量盘正面，且在透明度测量盘底部通信面上开设光学测量装置的通信接孔；
所述光通信装置内部设置有通信板，通信板通过通信板固定壳固定，通信板固定壳上设置有与通信接孔配套的通信接头；通信接头直接插入通信接口内，实现光通信；
所述透明度测量盘内部设置压力传感器和充电电容，侧面设置充电环正、充电环负、充电环地；
所述光学测量装置包括中空连接的上壳体和下壳体，保护玻璃设置于两壳体中空部位,一侧通过橡胶隔离圈与上壳体接触、一侧通过橡胶隔离圈与若干个不同波段的滤光片接触，每个滤光片底部均设置一个穿过下壳体的光电二极管，形成一个通道，若干个不同波段的滤光片与相应的光电二极管形成若干个不同的通道。
进一步的，所述上壳体和下壳体之间通过拉紧螺栓固定连接。
进一步的，所述滤光片的个数为3-6个。
进一步的，所述透明度测量盘正面为白色圆形。
本发明还提供一种多通道海水透明度测量方法，具体步骤如下：
(1)用一根带有刻度的测量绳固定多通道海水透明度测量装置，将光学测量装置的测量面朝上，放入海水中，缓慢下沉；
(2)在下沉过程中的不同深度利用压力传感器触发光学测量装置一次，实现多次触发光学测量装置测量海水透明度；测量方法如下：利用太阳发射光，通过光路辐射至测量面上，并通过保护玻璃和若干个不同波段的滤光片滤光处理后，通过硅光电二极管直接输出若干个不同通道对应的辐射量的计数值，并将计数值存储在通信板内部；
(3)当多通道海水透明度测量装置下沉到测量绳最深处时，将测量装置拉出水面，利用光通信装置，导出计数值，根据计数值和辐射值的对应关系，得到同一深度的若干个不同通道的辐射值；通过多次触发测量，得到若干个不同通道在不同深度的辐射值的变化关系，从而得到海水的多通道消光系数廓线。
进一步的，所述光学测量装置的测量面朝下，放入海水中，缓慢下沉，重复步骤(2)、(3)，得到海水的多通道后向散射系数廓线。
进一步的，所述测量绳的长度为45-55m。
进一步的，步骤(2)中，在下沉过程中，每下沉0.1m，利用压力传感器触发光学测量装置测量一次海水透明度。
本发明的有益效果是：
(1)采用多通道、窄波段测量方式，可获取多个不同通道在海水不同深度的辐射计数值，进而得到不同通道的海水透明度和消光系数廓线；观测通道可根据需求进行设置，根据通道带宽要求可选择相应的滤光片模块得到该窄带的辐射计数值；通常可选择从紫外、可见光到近红外波段内的多个通道进行测量，滤光片带宽一般小于10nm。
(2)采用内置电容充电供电方式，避免了电池损耗和寿命问题，理论上电池寿命可达到无限长；可在透明度测量盘外部即可对电容进行充电，无需连接电源连接线；选择的电容值大小适当，可保障测量工作持续30min以上，确保完成一次完整的测量过程。
(3)光学测量装置的控制(启动测量、数据导出)均是依靠终端电脑通过DB9串口线连接通信板，通过通信板发指令给光通信装置，光通信装置与通信板之间采用光通信方式，避免了通信电缆连接。
(4)内置电容充电供电方式和光通信方式，避免了反复测量过程中需频繁打开测量装置，避免了电源电缆和通信电缆处可能导致的密封漏水和维护难题。测量装置一旦制造完成并进行密封、防水测试后，在未来的使用中无需再次打开。
(5)透明度测量盘内部设置硅压阻压力传感器，根据压力变化，自动触发光学测量装置进行测量。
(6)本装置具备多种使用方式，信息量大。透明度测量盘正面设计为与人工观测的透明度盘尺寸、形状、颜色一致，在测量过程中可作为人工目测海水透明度的透明度盘使用。
(7)本装置以太阳光作为光源，避免了内置复色光源可能导致的系统复杂问题，可一次性同步测量多个通道水体消光系数和后向散射系数廓线。要求在白天进行观测，在一次测量过程中，要求太阳辐射变化不大，由于一次测量过程较短(10min内)，该条件容易满足。由于采用了太阳光作为光源，导致该设备测量的深度较深，通常可达60m以上，超过了人工目测海水透明度的最大深度。
附图说明
图1为多通道海水透明度测量装置的光学测量面的结构示意图；
图2为多通道海水透明度测量装置的通信面的结构示意图；
图3为光通信装置的结构示意图；
图4为光学测量装置的结构示意图；
图5为多通道海水透明度测量装置的光学测量面向上和向下的测量示意图。
图中：1为硅光电二极管，2为下壳体，3为滤光片，4为橡胶隔离圈，5为保护玻璃，6为拉紧螺栓，7为上壳体，8为测量面，9为透明度测量盘，10为充电环正，11为充电环负，12为充电环地，13为通信接孔，14为硅压阻压力传感器，15为通信面，16为通信接头，17通信板固定壳，18为太阳，19为光路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1、2所示，一种多通道海水透明度测量装置，包括密封的透明度测量盘9、光学测量装置和光通信装置。所述光学测量装置嵌置于透明度测量盘的中心位置、测量面8位于透明度测量盘正面，且在透明度测量盘底部通信面15上开设光学测量装置的通信接孔13。如图3所示，所述光通信装置内部设置有通信板，通信板通过通信板固定壳17固定，通信板固定壳17上设置有与通信接孔13配套的通信接头16。通信接头直接插入通信接口内，实现光通信，光学测量装置的控制(启动测量、数据导出)均是依靠终端电脑通过DB9串口线连接通信板，通过通信板发指令给光通信装置，光通信装置与通信板之间采用光通信方式，避免了通信电缆连接。
透明度测量盘9内部设置充电电容、侧面设置充电环正10、充电环负11、充电环地12，采用内置电容充电供电方式，避免了电池损耗和寿命问题，理论上电池寿命可达到无限长；可在透明度测量盘外部即可对电容进行充电，无需连接电源连接线；选择的电容值大小适当，可保障测量工作持续30min以上，确保完成一次完整的测量过程。光学测量装置和光通信装置均采用充电电容供电。
内置电容充电供电方式和光通信方式，避免了反复测量过程中需频繁打开测量装置，避免了电源电缆和通信电缆处可能导致的密封漏水和维护难题。测量装置一旦制造完成并进行密封、防水测试后，在未来的使用中无需再次打开。
透明度测量盘9内部设置硅压阻压力传感器14，根据压力变化，自动触发光学测量装置进行测量。
如图4所示，所述光学测量装置包括中空的上壳体7和下壳体2，上壳体7和下壳体2之间通过拉紧螺栓6固定连接，保护玻璃5设置于两壳体中空部位，且上下两侧均设置橡胶隔离圈4，一侧通过橡胶隔离圈4与上壳体7接触、一侧通过橡胶隔离圈4与4个不同波段的滤光片3接触，每个滤光片3底部均设置一个穿过下壳体的硅光电二极管1，形成一个通道，4个不同波段的滤光片与相应的硅光电二极管则形成4个不同的通道。且本发明采用滤光片为窄带滤光片，采用多通道、窄波段测量方式，可获取多个不同通道在海水不同深度的辐射计数值，进而得到不同通道的海水透明度和消光系数廓线；观测通道可根据需求进行设置，根据通道带宽要求可选择相应的滤光片模块得到该窄带的辐射计数值；通常可选择从紫外、可见光到近红外波段内的多个通道进行测量，滤光片带宽一般小于10nm。
如图5所示，测量方法如下：用一根带有刻度的50m长的测量绳固定多通道海水透明度测量装置，将光学测量装置的测量面朝上，放入海水中，缓慢下沉；在下沉过程中，每下沉0.1m，利用硅压阻压力传感器触发光学测量装置测量一次海水透明度。测量方法如下：利用太阳发射光，通过光路辐射至测量面上，并通过保护玻璃和若干个不同波段的滤光片滤光处理后，通过硅光电二极管直接输出若干个不同通道对应的辐射量的计数值，并将计数值存储在通信板内部；当多通道海水透明度测量装置下沉到测量绳最深处时，将测量装置拉出水面，利用光通信装置，导出计数值，根据计数值和辐射值的对应关系，得到同一深度的若干个不同通道的辐射值；通过多次触发测量，得到若干个不同通道在不同深度的辐射值的变化关系，从而得到海水的多通道消光系数廓线。然后再将光学测量装置的测量面朝下，放入海水中，缓慢下沉，重复上述步骤，得到海水的多通道后向散射系数廓线。
其中，多通道海水透明度测量装置每下沉0.1m，压力传感器触发光学测量装置测量一次海水透明度，原理如下：海水密度×重力加速度×深度，即为压力，海水的密度和重力加速度均为已知，则压力与深度呈一定的比例关系，深度通过带有刻度的测量绳可得，则压力可计算得到。同时，压力通过硅压阻压力传感器14可测得，控制硅压阻压力传感器14在达到每个需测量深度对应压力时测量一次，即可实现每下沉0.1m，压力传感器触发一次测量。
本装置具备多种使用方式，信息量大。透明度测量盘正面设计为与人工观测的透明度盘尺寸、形状、颜色一致(直径30cm、白色圆盘)，在测量过程中可作为人工目测海水透明度的透明度盘使用。
本装置以太阳光作为光源，避免了内置复色光源可能导致的系统复杂问题，可一次性同步测量多个通道水体消光系数和后向散射系数廓线。要求在白天进行观测，在一次测量过程中，要求太阳辐射变化不大，由于一次测量过程较短(10min内)，该条件容易满足。由于采用了太阳光作为光源，导致该设备测量的深度较深，通常可达60m以上，超过了人工目测海水透明度的最大深度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种多通道海水透明度测量装置，其特征在于：包括密封的透明度测量盘、光学测量装置和光通信装置；
所述光学测量装置嵌置于透明度测量盘的中心位置、测量面位于透明度测量盘正面，且在透明度测量盘底部通信面上开设光学测量装置的通信接孔；
所述光通信装置内部设置有通信板，通信板通过通信板固定壳固定，通信板固定壳上设置有与通信接孔配套的通信接头；通信接头直接插入通信接口内，实现光通信；
所述透明度测量盘内部设置压力传感器和充电电容，侧面设置充电环正、充电环负、充电环地；
所述光学测量装置包括中空连接的上壳体和下壳体，保护玻璃设置于两壳体中空部位,一侧通过橡胶隔离圈与上壳体接触、一侧通过橡胶隔离圈与若干个不同波段的滤光片接触，每个滤光片底部均设置一个穿过下壳体的光电二极管，形成一个通道，若干个不同波段的滤光片与相应的光电二极管形成若干个不同的通道。
2.根据权利要求1所述的一种多通道海水透明度测量装置，其特征在于：所述上壳体和下壳体之间通过拉紧螺栓固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种多通道海水透明度测量装置，其特征在于：所述滤光片的个数为3-6个。
4.根据权利要求1所述的一种多通道海水透明度测量装置，其特征在于：所述透明度测量盘正面为白色圆形。
5.一种多通道海水透明度测量方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)用一根带有刻度的测量绳固定多通道海水透明度测量装置，将光学测量装置的测量面朝上，放入海水中，缓慢下沉；
(2)在下沉过程中的不同深度利用压力传感器触发光学测量装置一次，实现多次触发光学测量装置测量海水透明度；测量方法如下：利用太阳发射光，通过光路辐射至测量面上，并通过保护玻璃和若干个不同波段的滤光片滤光处理后，通过硅光电二极管直接输出若干个不同通道对应的辐射量的计数值，并将计数值存储在通信板内部；
(3)当多通道海水透明度测量装置下沉到测量绳最深处时，将测量装置拉出水面，利用光通信装置，导出计数值，根据计数值和辐射值的对应关系，得到同一深度的若干个不同通道的辐射值；通过多次触发测量，得到若干个不同通道在不同深度的辐射值的变化关系，从而得到海水的多通道消光系数廓线。
6.根据权利要求5所述的一种多通道海水透明度测量方法，其特征在于：所述光学测量装置的测量面朝下，放入海水中，缓慢下沉，重复步骤(2)、(3)，得到海水的多通道后向散射系数廓线。
7.根据权利要求5所述的一种多通道海水透明度测量方法，其特征在于：所述测量绳的长度为45-55m。
8.根据权利要求5所述的一种多通道海水透明度测量方法，其特征在于：步骤(2)中，在下沉过程中，每下沉0.1m，利用压力传感器触发光学测量装置测量一次海水透明度。
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