CN105092474A - 水体消光系数测量装置、方法和悬浮物消光系数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水体消光系数测量装置、方法及悬浮物消光系数测量方法，本发明通过向玻璃缸体内的水体照射平行光、并用光谱仪检测不同水深时穿透玻璃缸体且由标准板反射的透射光的辐照度，并将不同深度辐照度进行相比运算，从而得到水体消光系数；采用本发明一方面提高了测量的精度，另一方面也使可测量的波段从可见光350-750nm扩展到近红外350-1100nm；同时，本发明由于采用比值法计算水体光学厚度和消光系数，大幅消除了玻璃缸的反射等来自光学系统本身影，显著提高了测量的精度，可适应不同水环境遥感的需要；此外，采用本发明还可测量混浊水和各种污染水体的消光系数以及其中悬浮物的消光系数。

Description

水体消光系数测量装置、方法和悬浮物消光系数测量方法

技术领域

本发明涉及水体指标测定领域，更具体地，涉及一种水体消光系数测量装置以及基于该测量装置的水体消光系数测量方法及悬浮物消光系数测量方法。

背景技术

水体的消光系数是环境遥感和生态等领域的重要参数。目前采用的测量方法有以下三种，第一种方法是让光线穿过固定厚度的水箱，测量穿过水箱的光强与光源的光强，再根据在水中的光程算出消光系数。第二种方法是用不同波长的光通过固定厚度的水箱，通过精确测量光学系统的温升计算水体的吸收系数。第三种是将光谱仪放入水中，测量不同深度的水中光的强度然后算出水的消光系数。

第一种方法存在两方面的问题。一是由于水箱厚度固定，水中光程也固定，由于红外波段与可见光波段的消光系数相差几个数量级，故这种方法只能测量消光系数较小的350-800nm的可见光波段，红外波段由于透射光极弱而不能精确测量；此外这种方法很难完全消除如水箱壁的反射等光学系统的影响，造成一定的误差。第二种方法由于光程固定，也是只能测量可见光波段的消光系数。第三种方法由于水体是受水面波浪等的影响，测量精度不高，且由于不能在水深很小的深度测量(如小于5cm)，故也是只能测量可见光波段的水光系数。

发明内容

本发明的目的其中一个目的，是提供一种水体消光系数测量装置，采用该测量装置，可以适应对不同波段光波的测量，相对现有技术扩展了可测量的波段范围，为了实现以上目的，采用如下技术方案：

一种水体消光系数测量装置，包括：

玻璃缸，用于盛装待测水体，所述玻璃缸包括高透玻璃制成的平面底壁；

水深探测单元，用于监测玻璃缸内的待测水体深度；

水深调节单元，用于向玻璃缸内注入或抽走待测水体；

光源，设置于玻璃缸上方，用于沿竖直方向向玻璃缸内投射平行光；

标准板，设置于玻璃缸下方，用于反射平行光穿透玻璃缸后的透射光；

光谱仪，用于检测标准板所反射透射光的反辐射亮度，所述光谱仪包括光线探头，所述光线探头的探测口朝向标准板被透射光照射的区域。

作为一种具体实施例，所述光源包括探照灯及非平行光过滤单元，所述非平行光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜及散光滤波器。

作为一种具体实施例，所述玻璃缸与标准板之间还设置有散射光过滤单元，所述散射光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜及散光滤波器。

作为一种具体实施例，所述高透明玻璃为超白玻璃。

作为一种具体实施例，所述水深调节单元包括注水模块、抽水模块，还包括微处理器和指令输入模块，所述注水模块、抽水模块、水深探测单元、指令输入模块均与微处理器连接，微处理器根据指令输入模块输入的目标深度值及水深探测单元反馈的当前深度值控制注水模块或/和抽水模块改变玻璃缸内的水深。

本发明的另一个目的，是提供一种水体消光系数测量方法，采用该方法可大幅消除如玻璃缸的反射等来自光学系统本身的影响，显著提高了测量的精度，便于测量各种类型水体。

为了达到本目的，采用以下技术方案：

一种基于权利要求1所述水体消光系数测量装置的水体消光系数测量方法，包括以下步骤完成：

S1向玻璃缸内加入待测水体至当前批次设定水深h_n；

S2通过光源向待测水体投射平行光，所述平行光穿透玻璃缸底壁并投射于标准板；

S3标准板反射投射其上的透射光，光谱仪的探头接收透射光经标准板的反射的光线，并测量得到当前反辐射亮度L_n，反辐射亮度为：

$L_n=\frac{1}{\mathrm{\π}}{E}_0{T}_{ws}{e}^{-\mathrm{\τ}}{T}_g{R}_b$ ①

其中：

τ为光学厚度，是水体消光系数k对水层厚度h的积分，λ为波长，τ的表达式为：

$\mathrm{\τ}={\∫}_{h_1}^{h_2}k(\mathrm{\λ},h)dh;$

对于均质水体，各层消光系数k相同，光学厚度可表示为：

τ＝kh_n；

E₀-入射光光源的辐照度，

T_ws-水表面透过率，

T_g-玻璃缸的透过率，

R_b-标准板的反射率；

S4通过水深调节单元改变玻璃缸内的水深至当前批次设定水深h_m，重复步骤S2-S3，得到当前反幅射亮度L_m；

S5将任意两个批次测量的反射幅亮度L_n、L_m相除，得到待测水体的消光系数为：

$k=\frac{1}{(h_m-h_n)}\ln \left(\frac{L_n}{L_m}\right)$ ②。

作为一种具体实施例，所述步骤S2中，还包括对投射入玻璃缸内的光源进行非平行光过滤的步骤。

作为一种具体实施例，所述步骤S2中，还包括投射入玻璃缸内的光源进行散射光过滤的步骤。

本发明的第三个目的，是提供一种悬浮物消光系数测量方法，采用该方法可以检测混浊水中悬浮物的消光系数，为其它光学参数的测量及水质定量遥感提供了重要的基础数据，为了达到该目的，采用如下技术方案：

一种基于消光系数测量方法的悬浮物消光系数测量方法，包括以下步骤完成:

T1所述步骤S1中，分批次单独加入纯净水和混浊水作为待测水体，然后执行步骤S2-S5，分别对应得到纯净水消光系数k_w及混浊水消光系数k；

T2悬浮物消光系数为：

k_s＝k-k_w③。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明的水体消光系数测量装置由于可以很方便地改变测量水体的深度，故可通过调整测量水体深度的方法使标准板上的反射光强度位于最佳测量的值域，一方面提高了测量的精度，另一方面也使可测量的波段从可见光350-750nm扩展到近红外350-1100nm。

本发明的水体消光系数测量方法由于采用比值法计算水体光学厚度和消光系数，大幅消除了玻璃缸的反射等来自光学系统本身影，显著提高了测量的精度，可适应不同水环境遥感的需要；同时，采用本发明还可测量混浊水和各种污染水体的消光系数以及其中悬浮物的消光系数，为其它光学参数的测量及水质定量遥感提供了重要的基础数据。

附图说明

图1为水体消光系数测量装置的结构及原理示意图。

图2为清洁水在不同波段光照情况下的消光系数图示。

图3为浑浊水在不同水深位置由不同波段光照的光学厚度示意图。

图4为浑浊水根据公式得到的悬浮物消光系数与根据本发明得到悬浮物消光系数在不同波段光照情况下的对比图示。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明做进一步说明：

参见图1，本发明所示的水体宽波段消光系数测量装置，包括玻璃缸4、水深探测单元7、水深调节单元8、光源1、标准板6及光谱仪5，其中：

玻璃缸4包括高透玻璃制成的平面底壁，用于盛装待测水体3，玻璃缸4底壁水平放置；水深探测单元7可以是量尺或者水位传感器，用于监测玻璃缸4内的待测水体3深度(也即待测水体3在竖直方向的厚度h)；水深调节单元8，用于向玻璃缸4内注入或抽走待测水体3；光源1，设置于玻璃缸4上方，用于沿竖直方向向玻璃缸4内投射平行光2；标准板6，也即标准反射板，设置于玻璃缸4下方，用于反射平行光2穿透玻璃缸4后的透射光2a，所述标准板6水平放置；光谱仪5，用于检测标准板反射所述透射光2a的反辐射亮度，所述光谱仪5包括光线探头51，所述光线探头51的探测口朝向标准板6被透射光2a照射的区域。

在本实施例中，所述光源1包括探照灯11及非平行光过滤单元，所述非平行光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜12及散光滤波器13，散光滤波器13位于透镜12中间；所述玻璃缸4与标准板6之间还设置有散射光过滤单元，所述散射光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜91及散光滤波器92，所述散光滤波器92设置于透镜91中间。

所述水深调节单元8包括注水模块82、抽水模块83及水管84，所述注水模块82和抽水模块83通过三通阀84与水管85并联连接。

为了实现自动调节水深，所述水深调节单元还包括微处理器85和指令输入模块86，其中指令输入模块86可以是键盘、触摸屏等可向微处理器85输入数据的终端设备，水深探测单元7优选为水位传感器。所述注水模块82、抽水模块83、水深探测单元7、指令输入模块86均与微处理器85连接，微处理器85根据指令输入模块85输入的目标深度值及水深探测单元7反馈的当前深度值控制注水模块82或/和抽水模块83改变玻璃缸4内的水深。

为了保证玻璃缸4有较高的透光度，玻璃缸4底壁的高透明玻璃优选为超白玻璃(UltraClearGlass)。超白玻璃是一种超透明低铁玻璃，也称低铁玻璃、高透明玻璃，透光率可达91.5％以上，同时还具有自爆率低，颜色一致性强的特性。

基于上述水体宽波段消光系数测量装置的结构和设置，一种水体消光系数测量方法，包括以下步骤完成：

S1向玻璃缸4内加入待测水体3至当前批次设定水深h_n；

本步骤通过向玻璃缸4中注入待测水体3，目的是使待测水体在3在玻璃缸4内形成一定水深h_n，为后续步骤的光照提供介质样本，其中n为自然数，表示当前测量批次的序号。

由于水体厚度可以轻易更改，因此，对于不同波长的光来说，可以调整水体3的深度(竖直方向的厚度)使得标准板6上的反射光强度处于最佳测量的值域，以便于数据采样结果准确，进一步保证检测结果的准确。

S2通过光源1向玻璃缸4内投射平行光2，所述平行光2穿透玻璃缸并投射于标准板6；

本步骤中，来自探照灯11的强光经非平行光过滤单元后，非平行光被滤除，得到平行光束2。平行光束2穿过玻璃缸4时，依此经待测水体3表面发生部分反射、待测水体3水层的吸收和散射，玻璃缸4底壁部分反射后穿过玻璃缸4底壁，再经散射光过滤单元滤掉散射光后到达标准板6。

S3标准板6反射投射其上的透射光2a，光谱仪5的探头接收透射光2a经标准板6反射的光线，并测量得到当前测量批次透射光2a的反辐射亮度L_n；

本步骤中，透射光2a经标准板6漫反射后，其中一部分光线进入光谱仪5的探头51，则光谱仪5可以计算出透射光2a的反辐射亮度，本专利中，反辐射亮度表示为：

$L_n=\frac{1}{\mathrm{\π}}{E}_0{T}_{ws}{e}^{-\mathrm{\τ}}{T}_g{R}_b$ ①

其中：

光学厚度τ为水体消光系数k对水层厚度h的积分，λ为波长，其表达式为：

$\mathrm{\τ}={\∫}_{h_1}^{h_2}k(\mathrm{\λ},h)dh;$

对于均质水体，各层消光系数k相同，光学厚度可表示为：

τ＝kh_n；

E₀-入射光光源的辐照度；

T_ws-水表面透过率；

T_g-玻璃缸的透过率；

R_b-标准板的反射率。

S4通过加水单元或抽水改变玻璃缸内的水深至h_m，重复步骤S2-S3，得到当前测量批次幅亮度L_m；

本步骤中通过调整玻璃缸4的待测水体3的深度，可测得标准板6上穿过不同厚度水层的透射光反射辐亮度L_m，其中m为自然数，表示当前测量批次的序号。

S5将任意两个批次测量的反射幅亮度L_m、L_n相除，得到待测水体的消光系数；

此前S1-S4步骤已经获得待测水体3的至少两个不同厚度的反射幅亮度，则可以将任意两次测量得到的反射幅亮度相除，经整理得到待测水体3的消光系数：

$k=\frac{1}{(h_m-h_n)}\ln \left(\frac{L_n}{L_m}\right)$ ②

参见图2，本实施例中以1cm为增量，测量标准板6上穿过1至15cm厚度待测水体3的辐亮度L₁-L₁₅，然后以1cm测量值L₁为底可算出各个水深的水体消光系数L_n。实验结果表明不同深度水体测量结果具有很好的一致性，测量结果非常稳定。

基于上述测量装置及测量方法，本发明的再一种悬浮物消光系数测量方法，包括以下步骤完成:

T1在上述水体消光系数测量方法的步骤S1中，分批次单独加入纯净水和混浊水作为待测水体3，然后执行步骤S2-S5，分别对应得到纯净水消光系数k_w及混浊水消光系数k，

T2悬浮物消光系数为：

由于混浊水消光系数k为纯净水消光系数k_w与悬浮物消光系数k_s之和，即

k＝k_w+k_s

因此，悬浮物消光系数可由下式求得：

k_s＝k-k_w③。

图3为浑浊水在不同水深位置由不同波段光照的光学厚度。

图4为浑浊水根据公式得到的悬浮物消光系数与根据本发明得到悬浮物消光系数在不同波段光照情况下的对比图。

对于大气中悬浮气溶胶颗粒物，提出其光学厚度可表示为：

τ(λ)＝βλ^-α

其中：

β为大气混浊度系数，表征大气中气溶胶的数量，

α为波长指数，表征气溶胶粒度大小。

对于水中悬浮物的消光同样可以利用公式进行模拟。根据图4，基于本发明得出的悬浮物消光系数与根据公式得到的悬浮物消光系数二者非常接近，说明本发明悬浮物消光系数测量方法非常有效。

应该理解，以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种水体消光系数测量装置，其特征在于，包括：

玻璃缸，用于盛装待测水体，所述玻璃缸包括高透玻璃制成的平面底壁；

水深探测单元，用于监测玻璃缸内的待测水体深度；

水深调节单元，用于向玻璃缸内注入或抽走待测水体；

光源，设置于玻璃缸上方，用于沿竖直方向向玻璃缸内投射平行光；

标准板，设置于玻璃缸下方，用于反射平行光穿透玻璃缸后的透射光；

光谱仪，用于检测标准板所反射透射光的反辐射亮度，所述光谱仪包括光线探头，所述光线探头的探测口朝向标准板被透射光照射的区域。

2.如权利要求1所述的水体消光系数测量装置，其特征在于，所述光源包括探照灯及非平行光过滤单元，所述非平行光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜及散光滤波器。

3.如权利要求1所述的水体消光系数测量装置，其特征在于，所述玻璃缸与标准板之间还设置有散射光过滤单元，所述散射光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜及散光滤波器。

4.如权利要求1所述的水体消光系数测量装置，其特征在于，所述高透明玻璃为超白玻璃。

5.如权利要求1所述的水体消光系数测量装置，其特征在于，所述水深调节单元包括注水模块、抽水模块，还包括微处理器和指令输入模块，所述注水模块、抽水模块、水深探测单元、指令输入模块均与微处理器连接，微处理器根据指令输入模块输入的目标深度值及水深探测单元反馈的当前深度值控制注水模块或/和抽水模块改变玻璃缸内的水深。

6.一种基于权利要求1所述水体消光系数测量装置的水体消光系数测量方法，其特征在于，包括以下步骤完成：

S1向玻璃缸内加入待测水体至当前批次设定水深h_n；

S2通过光源向待测水体投射平行光，所述平行光穿透玻璃缸底壁并投射于标准板；

S3标准板反射投射其上的透射光，光谱仪的探头接收透射光经标准板的反射的光线，并测量得到当前反辐射亮度L_n，反辐射亮度为：

$L_n=\frac{1}{\mathrm{\π}}{E}_0{T}_{ws}{e}^{-\mathrm{\τ}}{T}_g{R}_b$ ①

其中：

τ为光学厚度，是水体消光系数k对水层厚度h的积分，λ为波长，τ的表达式为：

$\mathrm{\τ}={\∫}_{h_1}^{h_2}k(\mathrm{\λ},h)dh;$

对于均质水体，各层消光系数k相同，光学厚度可表示为：

τ＝kh_n；

E₀-入射光光源的辐照度，

T_ws-水表面透过率，

T_g-玻璃缸的透过率，

R_b-标准板的反射率；

S4通过水深调节单元改变玻璃缸内的水深至当前批次设定水深h_m，重复步骤S2-S3，得到当前反幅射亮度L_m；

S5将任意两个批次测量的反射幅亮度L_n、L_m相除，得到待测水体的消光系数为：

$k=\frac{1}{(h_m-h_n)}\ln \left(\frac{L_n}{L_m}\right)$ ②。

7.如权利要求6所述的水体消光系数测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，还包括对投射入玻璃缸内的光源进行非平行光过滤的步骤。

8.如权利要求6所述的水体消光系数测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，还包括投射入玻璃缸内的光源进行散射光过滤的步骤。

9.一种基于权利要求6所述消光系数测量方法的悬浮物消光系数测量方法，其特征在于，包括以下步骤完成:

T1所述步骤S1中，分批次单独加入纯净水和混浊水作为待测水体，然后执行步骤S2-S5，分别对应得到纯净水消光系数k_w及混浊水消光系数k；

T2悬浮物消光系数为：

k_s＝k-k_w③。