CN107179298B - 一种水体体散射函数及衰减系数同步测量仪及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水体体散射函数及衰减系数同步测量仪及其测量方法。一种水体体散射函数及衰减系数同步测量仪，其中，包括第一光源、第二光源、N个散射通量探头组、透射光探头、深度探头、数据采样及供电控制系统、第一固定支架、第二固定支架以及用于支撑数据采样及供电控制系统的支撑架，深度探头、第二固定支架和支撑架均设在第一固定支架上，第二光源和透射光探头设置在第二固定支架两端，第一光源和N个散射通量探头组均布在第一固定支架的周向上，第一光源、第二光源、散射通量探头组、透射光探头和深度探头均与数据采样及供电控制系统电连接。本发明可实现水体体散射函数及衰减系数同步测量，简化水体体散射函数及衰减系数的测量过程。
Description
技术领域
本发明涉及海洋检测技术领域，更具体地，涉及一种水体体散射函数及衰减系数同步测量仪及其测量方法。
背景技术
散射函数(β(ψ),VSF)描述的是入射光束在水中某一散射体上的角度分布。定义为入射光束在水中某一散射体上任一散射角相应的立体角Ω和散射体积V的散射通量的二阶导数除以入射辐照度E，单位为m-1sr-1。
其中ψ为散射角。β(ψ)虽然不显含波长，但是波长的函数。在海水中，β(ψ)还随时间和空间变化，一般表示为深度的函数。
由体散射函数可计算总散射系数b(λ)、后向散射系数bb(λ)以及无量纲体散射相函数
等，总散射系数、后向散射系数、体散射相函数分别为：
体散射相函数给出的是在所有方向上散射的光子转向进入ψ角方向的概率，而体散射系数是描述单位程长散射过程的强度。
对体散射函数的数学定义式1做如下说明：
其中Φi(0,0)为光源光通量，Φs(rs,ψ)为经体积为V(ψ)的散射体散射后的散射光通量，Φs(rd,ψ)为探测器接收到的散射光通量，rs为光源到散射体中心的距离，rd为探测器与散射体中心之间的距离，S(ψ)为光源出射光的横截面，c为待测水体的衰减系数，可通过透射光测量获取。
将式5、6代入式1得：
式8中，Φt(rd,0)为透射光探测器接收到的透射光通量。
式7中，rs、rd、V(ψ)以及Ω均可以通过仪器的几何设计结构直接或间接计算得到，因此在已知入射光源光通量的前提下，只要测量得到不同方向散射光通量Φs(rd,ψ)以及水体的衰减系数c即可以计算得到相应的β(ψ)。
现有技术中，对于水体体散射函数测量，主要集中在后向某一个或几个角度上，测量结果存在分辨率低、信息量少等缺点，且，必须额外配合衰减系数测量仪方能获取体散射函数信息，极其不方便。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种水体体散射函数及衰减系数同步测量仪及其测量方法。本发明结构简单，使用方便，可实现水体体散射函数及衰减系数同步测量，可简化水体体散射函数及衰减系数的测量过程，可提高水体体散射函数测量的角度分辨率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种水体体散射函数及衰减系数同步测量仪，其中，包括第一光源、第二光源、N个散射通量探头组、透射光探头、深度探头、数据采样及供电控制系统、用于固定第一光源和散射通量探头组的第一固定支架、用于固定第二光源和透射光探头的第二固定支架以及用于支撑数据采样及供电控制系统的支撑架，所述深度探头、第二固定支架和支撑架均设在所述第一固定支架上，所述第二光源和透射光探头相对设置在所述第二固定支架两端，所述第一固定支架呈圆环状，所述第一光源和N个散射通量探头组均匀分布在所述第一固定支架的周向上，所述第一光源、第二光源、散射通量探头组、透射光探头和深度探头均与所述数据采样及供电控制系统电连接。所述N个散射通量探头组、透射光探头以及深度探头可同步启动，可快速同步实现多个角度水体散射光通量、透射光及深度信息的快速测量。
进一步的，所述第一固定支架包括内圆环、外圆环以及将内圆环、外圆环上端面连接起来的第三圆环，所述内圆环、外圆环以及第三圆环共圆心，所述第三圆环的内径与所述内圆环的内径相同，所述第三圆环的外径与所述外圆环的外径相同，内、外圆环的厚度一致，环的宽度也一致，内、外圆环均由不易变形耐腐蚀材料制成。
进一步的，所述内圆环和外圆环的周向上均匀设置了N+1组安装孔，每组安装孔包括设在内圆环周向上的第一通孔和设在外圆环周向上且和第一通孔相对应的第二通孔，所述第一光源设在其中一组安装孔中，第一光源的出光端设在所述第一通孔内，所述散射通量探头组设在余下的N组安装孔中，散射通量探头组的入光端设在所述第一通孔内，所述散射通量探头组的视场中心与所述第一光源的中心轴线共面，这样，内圆环的内径即为散射光程长度；所述第一光源以及散射通量探头组的长度略大于所述内圆环与所述外圆环之间的距离，这样就可以准确固定散射通量探头组。为了便于固定散射通量探头组，安装孔的直径略大于(不超过5mm)散射通量探头组的外径，内、外圆环上靠近安装孔的位置开设有探头固定螺孔。这样设计第一固定支架的目的是为了便于数据采样及供电控制系统的固定和安装，同时可以确保散射通量探头组以及第一光源的位置在恶劣海况下不发生变形。
进一步的，所述第二固定支架为一槽体，所述槽体的长度与所述第三圆环的外径相同，所述第二光源和透射光探头相对设置在所述槽体两端，第二光源的出光端与透射光探头的入光端之间的距离跟所述第三圆环的内径相同，所述槽体为U型槽体，所述槽体的槽壁为百叶状。百叶状U型槽可以避免透射光及其镜面反射光对散射通量探头组光学信号的污染，同时也可以确保现场水体流动畅通。
进一步的，所述数据采样及供电控制系统包括主体外壳，主体外壳密封设计，所述主体外壳内设有可充电电池组、数据采集及处理系统和无线通讯设备，所述可充电电池组和无线通讯设备均与所述数据采集及处理系统电连接，数据采集及处理系统可同步开启不同方向的散射通量探头组、透射光探头以及深度探头进行数据采集处理、自容式存储以及与上位机之间的数据及信息传输；所述主体外壳的外壁上设有N+4个第一水密插头，所述N+4个第一水密插头均与所述数据采集及处理系统连接，所述第一光源、第二光源、散射通量探头组、透射光探头和深度探头上设有与所述第一水密插头一一对应的第二水密插头，所述第一水密插头与对应的第二水密插头之间设有水密电缆，用于供电和通讯，所述主体外壳上设有起吊环，方便测量仪的起吊。
进一步的，所述主体外壳的顶部设有自动控制供断电开关，所述自动控制供断电开关包括第一干簧管、第二干簧管以及与所述第一干簧管、第二干簧管配合的磁铁，第一干簧管用于控制上电，第二干簧管控制断电。
进一步的，所述散射通量探头组和透射光探头结构相同，均包括水密圆柱壳体I和设在所述水密圆柱壳体I内的从入光端起依次排列的光学玻璃、光学准直系统、光电探测器和电子系统，所述透射光探头中光电探测器的表面设有一层漫反射薄膜，这样就可以将镜面反射光转换为漫反射光，以降低透射光探头镜面反射对第二光源出光信号的污染。
进一步的，所述第一光源和第二光源结构相同，均包括水密圆柱壳体II和设在所述水密圆柱壳体II内的从出光端起依次排列的密封出光玻璃窗口、准直准直光源及参考光探测模块，所述第二光源的出光端设有光阑组件。所述光阑组件包括黑色空心圆柱体和设在所述黑色空心圆柱体内的光阑，所述光阑为一设有中心孔的圆锥台，中心孔的孔径与所述第二光源出射光光斑大小一致，所述光阑的中心轴线与所述第二光源的出射光光斑中心轴线重合。这样设计同样是为了降低透射光探头镜面反射对第二光源出光信号的污染。
本发明还提供一种上述水体体散射函数及衰减系数同步测量仪的测量方法，其中，包括以下步骤：
S1.使得自动控制供断电开关中的磁铁靠近用于控制上电的第一干簧管一端，第一干簧管的簧片触点部分被磁力吸引，供电开关打开，仪器上电，数据采样及供电控制系统控制第一光源、第二光源打开，并同步开启深度探头，进行实时采集深度信息并判断。
S2.数据采样及供电控制系统通过深度信息判断测量仪已没入水面以下后，控制散射通量探头组和透射光探头开始采样，实时记录散射通量及透射光通量数值，结合公式①～⑧获取衰减系数和水体体散射函数，并进行数据处理和存储。
S3.测量结束后测量仪离开水面，自动停止采样。
S4.测量仪离开水面后，工作人员基于无线通讯对现场实测数据进行下载和提取。
S5.数据提取结束后，使得自动控制供断电开关中的磁铁靠近第二干簧管一端，干簧管的簧片触点部分被磁力吸引，断电开关打开，仪器关断电源。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明将散射通量探头组、透射光探头、深度探头以及数据采样及供电控制系统集成设置在同一个测量仪上，简化了水体体散射函数及衰减系数的测量过程，提高了水体体散射函数测量的角度分辨率，在不降低散射通量探测精度的前提下，确保了水体体散射函数及衰减系数的测量同步、高集成度快速完成，适用于水下剖面以及实验室等多种场合。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的仰视图。
图3是本发明第二固定支架的结构示意图。
图4是本发明散射通量探头组和透射光探头的结构示意图。
图5是本发明第一光源和第二光源的结构示意图。
图6是本发明光阑组件的结构示意图。
图7是本发明自动控制供断电开关的结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
如图1和图2所示，一种水体体散射函数及衰减系数同步测量仪，其中，包括第一光源1、第二光源2、N个散射通量探头组3、透射光探头4、深度探头5、数据采样及供电控制系统6、用于固定第一光源1和散射通量探头组3的第一固定支架7、用于固定第二光源2和透射光探头4的第二固定支架8以及用于支撑数据采样及供电控制系统6的支撑架9，所述深度探头5、第二固定支架8和支撑架9均设在所述第一固定支架7上，所述第二光源2和透射光探头4相对设置在所述第二固定支架8两端，所述第一固定支架7呈圆环状，所述第一光源1和N个散射通量探头组3均匀分布在所述第一固定支架7的周向上，所述第一光源1、第二光源2、散射通量探头组3、透射光探头4和深度探头5均与所述数据采样及供电控制系统6电连接。所述N个散射通量探头组3、透射光探头4以及深度探头5可同步启动，可快速同步实现多个角度水体散射光通量、透射光及深度信息的快速测量。
如图1和图2所示，所述第一固定支架7包括内圆环71、外圆环72以及将内圆环71、外圆环72上端面连接起来的第三圆环73，所述内圆环71、外圆环72以及第三圆环73共圆心，所述第三圆环73的内径与所述内圆环71的内径相同，所述第三圆环73的外径与所述外圆环72的外径相同，内、外圆环72的厚度一致，环的宽度也一致，内、外圆环72均由不易变形耐腐蚀材料制成。
如图1和图2所示，所述内圆环71和外圆环72的周向上均匀设置了N+1组安装孔，每组安装孔包括设在内圆环71周向上的第一通孔和设在外圆环72周向上且和第一通孔相对应的第二通孔，所述第一光源1设在其中一组安装孔中，第一光源1的出光端设在所述第一通孔内，所述散射通量探头组3设在余下的N组安装孔中，散射通量探头组3的入光端设在所述第一通孔内，所述散射通量探头组3的视场中心与所述第一光源1的中心轴线共面，这样，内圆环71的内径即为散射光程长度；所述第一光源1以及散射通量探头组3的长度略大于所述内圆环71与所述外圆环72之间的距离，这样就可以准确固定散射通量探头组3。为了便于固定散射通量探头组3，安装孔的直径略大于(不超过5mm)散射通量探头组3的外径，内、外圆环72上靠近安装孔的位置开设有探头固定螺孔。这样设计第一固定支架7的目的是为了便于数据采样及供电控制系统6的固定和安装，同时可以确保散射通量探头组3以及第一光源1的位置在恶劣海况下不发生变形。
如图1到图3所示，所述第二固定支架8为一槽体，所述槽体的长度与所述第三圆环73的外径相同，所述第二光源2和透射光探头4相对设置在所述槽体两端，第二光源2的出光端与透射光探头4的入光端之间的距离跟所述第三圆环73的内径相同，所述槽体为U型槽体，所述槽体的槽壁为百叶状。百叶状U型槽可以避免透射光及其镜面反射光对散射通量探头组3光学信号的污染，同时也可以确保现场水体流动畅通。
本实施例中，所述数据采样及供电控制系统6包括主体外壳，主体外壳密封设计，所述主体外壳内设有可充电电池组、数据采集及处理系统和无线通讯设备，所述可充电电池组和无线通讯设备均与所述数据采集及处理系统电连接，数据采集及处理系统可同步开启不同方向的散射通量探头组3、透射光探头4以及深度探头5进行数据采集处理、自容式存储以及与上位机之间的数据及信息传输；所述主体外壳的外壁上设有N+4个第一水密插头，所述N+4个第一水密插头均与所述数据采集及处理系统连接，所述第一光源1、第二光源2、散射通量探头组3、透射光探头4和深度探头5上设有与所述第一水密插头一一对应的第二水密插头，所述第一水密插头与对应的第二水密插头之间设有水密电缆，用于供电和通讯，所述主体外壳上设有起吊环10，方便测量仪的起吊。
如图7所示，所述主体外壳的顶部设有自动控制供断电开关，所述自动控制供断电开关包括第一干簧管11、第二干簧管12以及与所述第一干簧管11、第二干簧管12配合的磁铁，第一干簧管11用于控制上电，第二干簧管12控制断电。
如图4所示，所述散射通量探头组3和透射光探头4结构相同，均包括水密圆柱壳体I13和设在所述水密圆柱壳体I13内的从入光端起依次排列的光学玻璃14、光学准直系统15、光电探测器16和电子系统17，所述透射光探头4中光电探测器16的表面设有一层漫反射薄膜，这样就可以将镜面反射光转换为漫反射光，以降低透射光探头4镜面反射对第二光源2出光信号的污染。
如图5和图6所示，所述第一光源1和第二光源2结构相同，均包括水密圆柱壳体II18和设在所述水密圆柱壳体II18内的从出光端起依次排列的密封出光玻璃窗口19、准直光源及参考光探测模块20，所述第二光源2的出光端设有光阑组件。所述光阑组件包括黑色空心圆柱体21和设在所述黑色空心圆柱体21内的光阑22，所述光阑22为一设有中心孔23的圆锥台，中心孔23的孔径与所述第二光源2出射光光斑大小一致，所述光阑22的中心轴线与所述第二光源2的出射光光斑中心轴线重合。这样设计同样是为了降低透射光探头4镜面反射对第二光源2出光信号的污染。
本实施例中，该水体体散射函数及衰减系数同步测量仪的测量方法包括以下步骤：
S1.使得自动控制供断电开关中的磁铁靠近用于控制上电的第一干簧管11一端，第一干簧管11的簧片触点部分被磁力吸引，供电开关打开，仪器上电，数据采样及供电控制系统6控制第一光源1、第二光源2打开，并同步开启深度探头5，进行实时采集深度信息并判断。
S2.数据采样及供电控制系统6通过深度信息判断测量仪已没入水面以下后，控制散射通量探头组3和透射光探头4开始采样，实时记录散射通量及透射光通量数值，结合公式①～⑧获取衰减系数和水体体散射函数，并进行数据处理和存储。
S3.测量结束后测量仪离开水面，自动停止采样。
S4.测量仪离开水面后，工作人员基于无线通讯对现场实测数据进行下载和提取。
S5.数据提取结束后，使得自动控制供断电开关中的磁铁靠近第二干簧管12一端，干簧管的簧片触点部分被磁力吸引，断电开关打开，仪器关断电源。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种水体体散射函数及衰减系数同步测量仪，其特征在于，包括第一光源(1)、第二光源(2)、N个散射通量探头组(3)、透射光探头(4)、深度探头(5)、数据采样及供电控制系统(6)、用于固定第一光源(1)和散射通量探头组(3)的第一固定支架(7)、用于固定第二光源(2)和透射光探头(4)的第二固定支架(8)以及用于支撑数据采样及供电控制系统(6)的支撑架(9)，所述深度探头(5)、第二固定支架(8)和支撑架(9)均设在所述第一固定支架(7)上，所述第二光源(2)和透射光探头(4)相对设置在所述第二固定支架(8)两端，所述第一固定支架(7)呈圆环状，所述第一光源(1)和N个散射通量探头组(3)均匀分布在所述第一固定支架(7)的周向上，所述第一光源(1)、第二光源(2)、散射通量探头组(3)、透射光探头(4)和深度探头(5)均与所述数据采样及供电控制系统(6)电连接；
所述第一固定支架(7)包括内圆环(71)、外圆环(72)以及将内圆环(71)、外圆环(72)上端面连接起来的第三圆环(73)，所述内圆环(71)、外圆环(72)以及第三圆环(73)共圆心，所述第三圆环(73)的内径与所述内圆环(71)的内径相同，所述第三圆环(73)的外径与所述外圆环(72)的外径相同；
所述数据采样及供电控制系统(6)包括主体外壳，所述主体外壳内设有可充电电池组、数据采集及处理系统和无线通讯设备，所述可充电电池组和无线通讯设备均与所述数据采集及处理系统电连接，所述主体外壳的外壁上设有N+4个第一水密插头(61)，所述N+4个第一水密插头均与所述数据采集及处理系统连接，所述第一光源(1)、第二光源(2)、散射通量探头组(3)、透射光探头(4)和深度探头(5)上设有与所述第一水密插头(61)一一对应的第二水密插头(62)，所述第一水密插头(61)与对应的第二水密插头(62)之间设有水密电缆(63)，所述主体外壳上设有起吊环(10)；
所述主体外壳的顶部设有自动控制供断电开关，所述自动控制供断电开关包括第一干簧管(11)、第二干簧管(12)以及与所述第一干簧管(11)、第二干簧管(12)配合的磁铁，第一干簧管(11)用于控制上电，第二干簧管(12)控制断电。
2.根据权利要求1所述的一种水体体散射函数及衰减系数同步测量仪，其特征在于，所述内圆环(71)和外圆环(72)的周向上均匀设置了N+1组安装孔，每组安装孔包括设在内圆环(71)周向上的第一通孔和设在外圆环(72)周向上且和第一通孔相对应的第二通孔，所述第一光源(1)设在其中一组安装孔中，第一光源(1)的出光端设在所述第一通孔内，所述散射通量探头组(3)设在余下的N组安装孔中，散射通量探头组(3)的入光端设在所述第一通孔内，所述散射通量探头组(3)的视场中心与所述第一光源(1)的中心轴线共面，所述第一光源(1)以及散射通量探头组(3)的长度略大于所述内圆环(71)与所述外圆环(72)之间的距离。
3.根据权利要求1所述的一种水体体散射函数及衰减系数同步测量仪，其特征在于，所述第二固定支架(8)为一槽体，所述槽体的长度与所述第三圆环(73)的外径相同，所述第二光源(2)和透射光探头(4)相对设置在所述槽体两端，第二光源(2)的出光端与透射光探头(4)的入光端之间的距离跟所述第三圆环(73)的内径相同，所述槽体为U型槽体，所述槽体的槽壁为百叶状。
4.根据权利要求1所述的一种水体体散射函数及衰减系数同步测量仪，其特征在于，所述散射通量探头组(3)和透射光探头(4)结构相同，均包括水密圆柱壳体I(13)和设在所述水密圆柱壳体I(13)内的从入光端起依次排列的光学玻璃(14)、光学准直系统(15)、光电探测器(16)和电子系统(17)，所述透射光探头(4)中光电探测器(16)的表面设有一层漫反射薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种水体体散射函数及衰减系数同步测量仪，其特征在于，所述第一光源(1)和第二光源(2)结构相同，均包括水密圆柱壳体II(18)和设在所述水密圆柱壳体II(18)内的从出光端起依次排列的密封出光玻璃窗口(19)、准直光源及参考光探测模块(20)，所述第二光源(2)的出光端设有光阑组件。
6.根据权利要求5所述的一种水体体散射函数及衰减系数同步测量仪，其特征在于，所述光阑组件包括黑色空心圆柱体(21)和设在所述黑色空心圆柱体(21)内的光阑(22)，所述光阑(22)为一设有中心孔(23)的圆锥台，中心孔(23)的孔径与所述第二光源(2)出射光光斑大小一致，所述光阑(22)的中心轴线与所述第二光源(2)的出射光光斑中心轴线重合。
7.一种如权利要求1至6任一所述的水体体散射函数及衰减系数同步测量仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.使得自动控制供断电开关中的磁铁靠近用于控制上电的第一干簧管(11)一端，第一干簧管(11)的簧片触点部分被磁力吸引，供电开关打开，仪器上电，数据采样及供电控制系统(6)控制第一光源(1)、第二光源(2)打开，并同步开启深度探头(5)，进行实时采集深度信息并判断；
S2.数据采样及供电控制系统(6)通过深度信息判断测量仪已没入水面以下，然后控制散射通量探头组(3)和透射光探头(4)开始采样，实时记录散射通量及透射光通量数值，结合如下公式①～⑧获取衰减系数和水体体散射函数，并进行数据处理和存储；
散射函数(β(ψ),VSF)描述的是入射光束在水中某一散射体上的角度分布；定义为入射光束在水中某一散射体上任一散射角相应的立体角Ω和散射体积V的散射通量Φ(ψ,rs)的二阶导数除以入射辐照度E，单位为m-1sr-1，公式如下：
其中ψ为散射角；
由体散射函数可计算总散射系数b(λ)、后向散射系数bb(λ)以及无量纲体散射相函数
总散射系数、后向散射系数、体散射相函数分别为：
总散射系数公式：
后向散射系数公式：
体散射相函数公式：
对体散射函数的数学定义式①做如下说明：
其中Φi(0,0)为光源光通量，Φs(rs,ψ)为经体积为V(ψ)的散射体散射后的散射光通量，Φs(rd,ψ)为探测器接收到的散射光通量，rs为光源到散射体中心的距离，rd为探测器与散射体中心之间的距离，S(ψ)为光源出射光的横截面，c为待测水体的衰减系数，可通过透射光测量获取；
将式⑤、⑥代入式①得：
式⑧中，Φt(rd,0)为透射光探测器接收到的透射光通量；
S3.测量结束后测量仪离开水面，自动停止采样；
S4.测量仪离开水面后，工作人员基于无线通讯对现场实测数据进行下载和提取；
S5.数据提取结束后，使得自动控制供断电开关中的磁铁靠近第二干簧管(12)一端，干簧管的簧片触点部分被磁力吸引，断电开关打开，仪器关断电源。
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