CN108507956A - 水体光学衰减系数测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水体光学衰减系数测量装置及方法，该装置包括光源、探测器、与探测器连接且带动探测器移动的第一驱动机构和第二驱动机构，沿光路设于探测器的前方且与第一驱动机构连接的光斑尺寸探测单元，以及与探测器和光斑尺寸探测单元连接的中央处理器，第一驱动机构带动探测器沿光路移动，第二驱动机构带动探测器沿垂直光轴的平面进行移动扫描，探测器的探测面的尺寸小于所需探测的光斑的尺寸。通过光斑尺寸探测单元探测光斑的尺寸，接着第二驱动机构带动探测器进行移动扫描，获得整个光斑的参数信息，通过第一驱动机构带动探测器沿光路移动，测量不同距离对应的参数信息数据，针对得到的多组测量数据进行拟合，得到水体的光学衰减系数值。
Description
技术领域
本发明涉及水下光学探测领域，具体涉及一种水体光学衰减系数测量装置及方法。
背景技术
近年来，水下光学探测的应用越来越广泛，包括水体污染检测、激光探测等，而现有的水下光学成像设备没有通用的性能指标和标准，即不同的成像设备在不同水体条件下得到的最远成像距离结果之间没有关联性。目前，学术界通用的不同环境下衡量水下成像距离的性能参数则是采用光学衰减系数及其倍数来描述，然而由于水体对光的吸收和散射是很复杂的物理过程，准确测量水体的衰减系数非常困难。当前，国际上通常采用仪器来观测光能量在水中的衰减，以确定其对光的衰减系数，如Wet-labs生产的AC系列衰减系数测量仪，然而该产品的价格达到数百万，并不适用于商业应用。
因此，提供一种成本低、使用方便、测量准确的水体光学衰减系数测量装置是当前水下光学探测技术发展的重要环节。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供了一种成本低、使用方便、测量准确的水体光学衰减系数测量装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种水体光学衰减系数测量装置，包括光源、探测器、与所述探测器连接且带动所述探测器移动的第一驱动机构和第二驱动机构，沿光路设于所述探测器的前方且与第一驱动机构连接的光斑尺寸探测单元，以及与所述探测器和光斑尺寸探测单元连接的中央处理器，所述第一驱动机构带动探测器沿光路移动，所述第二驱动机构带动所述探测器沿垂直光轴的平面进行移动扫描，所述探测器的探测面的尺寸小于所需探测的光斑的尺寸。
进一步的，所述光源为连续光光源，所述探测器为照度计或功率计或单点探测器或面阵探测器。
进一步的，所述探测器的探测面为矩形状。
进一步的，还包括沿光路位于所述探测器前方的孔径光阑，所述孔径光阑的通光孔为矩形状。
本发明还提供上述的水体光学衰减系数测量装置的测量方法，包括以下步骤：
S1:光斑尺寸探测单元测量光源发出的光斑的初始面积，第二驱动机构根据该初始面积带动探测器移动测量光斑的初始参数信息，并将测量数据上传至中央处理器，该初始参数信息为初始辐照度值或初始辐射功率值或初始信号强度值；
S2:第一驱动机构带动探测器、第二驱动机构以及光斑尺寸探测单元沿光路移动一段距离，光斑尺寸探测单元测量对应的光斑面积，第二驱动机构根据对应的光斑面积带动探测器移动测量对应距离的辐照度值或辐射功率值或信号强度值，并将该测量数据上传至中央处理器；
S3：重复步骤S2若干次，得到不少于三组距离与辐照度值或辐射功率值或信号强度值的总测量值；
S4：中央处理器针对所有的距离与辐照度值或能量值或辐射功率值的总测量值进行拟合，得到当前水体的衰减系数值。
进一步的，所述光源发出的光束在水体中的传播过程满足下列公式：
Pl＝P0e-αl；
Ml＝M0e-αl；
Sl＝S0e-αl；
其中P0为光源发出的光束的初始辐射功率值，l为距离，Pl为光束在水中传播距离l后对应的辐射功率值，α为衰减系数；M0为光源发出的光束的初始辐照度值，Ml为光束在水中传播距离l后对应的辐照度值；S0为光源发出的光束的初始信号强度值，Sl光束在水中传播距离l后对应的信号强度值。
进一步的，若所述光斑的参数信息呈轴对称或中心对称分布，所述第二驱动机构带动探测器进行一维扫描，并根据对称性得到整个光斑的参数信息。
进一步的，若所述光斑的参数信息呈非轴对称或非中心对称分布，且光斑的长和宽分别大于探测面的长和宽，所述第二驱动机构带动探测器进行二维扫描得到整个光斑的参数信息。
进一步的，所述步骤S1和S2中还包括，所述中央处理器将探测器上传的测量数据与对应的光斑面积进行积分，得到总测量值。
本发明提供了一种水体光学衰减系数测量装置及方法，该装置包括光源、探测器、与所述探测器连接且带动所述探测器移动的第一驱动机构和第二驱动机构，沿光路设于所述探测器的前方且与第一驱动机构连接的光斑尺寸探测单元，以及与所述探测器和光斑尺寸探测单元连接的中央处理器，所述第一驱动机构带动探测器沿光路移动，所述第二驱动机构带动所述探测器沿垂直光轴的平面进行移动扫描，所述探测器的探测面的尺寸小于所需探测的光斑的尺寸。当光斑的尺寸大于探测器的探测面的尺寸时，一次探测不能得到整个光斑的参数信息，因此通过设置光斑尺寸探测单元首先探测光斑的尺寸，然后通过第二驱动机构根据该光斑的面积带动探测器进行移动扫描，从而获得整个光斑的参数信息，通过第一驱动机构带动探测器、第二驱动机构和光斑尺寸探测单元沿光路移动，测量不同距离对应的参数信息数据，针对得到的多组测量数据进行拟合，得到水体的光学衰减系数值。本发明结构简单，成本低廉，使用方便，效果可靠，准确度高。
附图说明
图1是本发明一具体实施例中水体光学衰减系数测量装置的结构示意图；
图2是本发明一具体实施例中光斑的划分示意图。
图中所示：10、光源；110、光斑单元；20、探测器；30、第一驱动机构；40、第二驱动机构；50、光斑尺寸探测单元；60、中央处理器；70、窄带滤光片；80、孔径光阑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述：
如图1所示，本发明提供了一种水体光学衰减系数测量装置，包括光源10、探测器20、与所述探测器20连接且带动所述探测器20移动的第一驱动机构30和第二驱动机构40，沿光路设于所述探测器20的前方且与第一驱动机构30连接的光斑尺寸探测单元50，以及与所述探测器20和光斑尺寸探测单元50连接的中央处理器60，所述第一驱动机构30带动探测器20沿光路移动，所述第二驱动机构40带动所述探测器20沿垂直光轴的平面进行移动扫描，所述探测器20的探测面的尺寸小于所需探测的光斑的尺寸。具体的，当光斑的尺寸大于探测器20的探测面的尺寸时，一次探测不能得到整个光斑的参数信息，因此通过设置光斑尺寸探测单元50首先探测光斑的面积，然后通过第二驱动机构40根据该光斑的尺寸带动探测器20进行移动扫描，从而获得整个光斑的参数信息，需要说明的是，在扫描时尽量保证探测区域不交叉，即不重复测量，当光斑的参数信息呈轴对称分布或中心对称分布时，探测器20可以只进行一维移动，并将测量值进行旋转对称处理从而得到整个光斑的参数信息分布，反之，若光斑的参数信息不满足轴对称或中心对称分布，且光斑的长和宽分别大于探测面的长和宽时，则探测器20需要进行二维移动，从而得到整个光斑的参数信息分布，整个光斑的参数信息分布即二维测量值的分布，将该测量值与光斑的面积进行积分，从而得到对应距离的总测量值，由于光源10发出的光束的某些参数信息如辐射功率、辐照度等在水体中传播满足一定的指数衰减定律，因此选择上述其中一项参数信息，通过第一驱动机构30带动探测器20、光斑尺寸探测单元50和第二驱动机构40沿光路同步移动多次，测量初始参数信息值和至少三个不同距离对应的参数信息，从而得到一个总测量值的向量和距离的向量，然后将总测量值进行指数函数的拟合，即可得到当前水体的光学衰减系数值。此外，由于上述公式仅针对单色光才能成立，因此光源10发出的光线需为单色光，因此光源10为单色光源，或者在光源10后方设置窄带滤光片70，从而满足单色光的测量条件，保证测量精度。中央处理器60采用单片机，具有存储、计算、曲线拟合等功能。本实施例中，光斑尺寸探测单元50仅用于测量不同位置处的光斑尺寸，从而确定探测器20的移动范围，可以通过分光镜、光学镜头和面阵探测器的方式或者通过分光镜、光学镜头和线阵探测器的方式实现光斑的预估，并将测量的数据上传至中央处理器60。
优选的，所述光源为连续光光源，所述探测器20为照度计或功率计或单点探测器或面阵探测器，探测光源10发出的光斑的辐照度或辐射功率或信号强度，由于光源10发出的光束在水体中传播满足Pl＝P0e-αl或Ml＝M0e-αl或Sl＝S0e-αl；其中P0为光源10发出的光束的初始辐射功率值，l为距离，Pl为光束在水中传播距离l后对应的辐射功率值，α为衰减系数；M0为光源10发出的光束的初始辐照度值，Ml为光束在水中传播距离l后对应的辐照度值；S0为光源10发出的光束的初始信号强度值，Sl光束在水中传播距离l后对应的信号强度值；因此选择上述任意一项参数信息，通过测量初始参数信息值和至少三个不同距离对应的参数信息，从而得到一个探测值的向量和距离的向量，然后将测量值进行指数函数的拟合，即可得到当前水体的光学衰减系数值，其中的距离可以是等间距也可以是非等间距的，为了更精确地拟合出水体的光学衰减系数，可以增加测量数据，如获取6组以上不同距离对应的测量数据。
优选的，所述探测器20的探测面为矩形状，该测量装置还包括沿光路位于所述探测器20前方的孔径光阑80，所述孔径光阑80的通光孔为矩形状。如图2所示，为了更好的保证探测准确性以及不重复探测，选择探测面为矩形的探测器20，同时通过设置孔径光阑80使光斑的形状也是矩形，从而可以将光斑划分为多个光斑单元110，每个光斑单元的尺寸与探测面的尺寸一致，每次探测一个单元。若光斑形状为圆形，则只能进行近似测量，会存在一定误差。
本发明还提供了上述水体光学衰减系数测量装置的测量方法，包括以下步骤：
S1:光斑尺寸探测单元50测量光源发出的光斑的初始面积，第二驱动机构40根据该初始面积带动探测器20移动测量光斑的初始参数信息，并将测量数据上传至中央处理器60，该初始参数信息为初始辐照度值或初始辐射功率值或初始信号强度值；由于光斑的尺寸大于探测器20的探测面的尺寸时，一次探测不能得到整个光斑的参数信息，因此通过设置光斑尺寸探测单元50首先探测光斑的面积，然后通过第二驱动机构40根据该光斑的面积带动探测器20进行移动扫描，从而获得整个光斑的参数信息，当光斑的参数信息呈轴对称分布或中心对称分布时，探测器20可以只进行一维移动，并利用对称性得到整个光斑的参数分布，反之，若光斑的参数信息不满足轴对称或中心对称分布，且光斑的长和宽分别大于探测面的长和宽，则探测器20需要进行二维移动，从而得到整个光斑的参数分布，即二维测量值的分布，将该测量值与光斑的面积进行积分，从而得到初始参数信息的总测量值。
S2:第一驱动机构30带动探测器20、第二驱动机构40以及光斑尺寸探测单元50沿光路移动一段距离，光斑尺寸探测单元50测量对应的光斑面积，第二驱动机构40根据对应的光斑面积带动探测器20移动测量对应距离的辐照度值或辐射功率值或信号强度值，并将该测量数据上传至中央处理器；具体的，在移动探测器20时，可以等间距移动或者非等间距移动。此外由于光斑面积也会随着光束的传播而变化，因此针对每个距离需要测量对应的光斑面积，并通过中央处理器60将对应的二维测量值的分布与该面积进行积分，得到对应距离的总测量值。
S3：重复步骤S2若干次，得到不少于三组距离与辐照度值或辐射功率值或信号强度值的总测量值。
S4：中央处理器针对所有的距离与辐照度值或能量值或辐射功率值的总测量值进行拟合，得到当前水体的衰减系数值。
由于光源10发出的光束在水体中传播满足Pl＝P0e-αl或Ml＝M0e-αl或Sl＝S0e-αl；其中P0为光源10发出的光束的初始辐射功率值，l为距离，Pl为光束在水中传播距离l后对应的辐射功率值，α为衰减系数；M0为光源10发出的光束的初始辐照度值，Ml为光束在水中传播距离l后对应的辐照度值；S0为光源10发出的光束的初始信号强度值，Sl光束在水中传播距离l后对应的信号强度值；因此选择上述任意一项参数信息，通过测量初始参数信息值和至少三个不同距离对应的参数信息，从而得到一个探测值的向量和距离的向量，然后将测量值进行指数函数的拟合，即可得到当前水体的光学衰减系数值，其中的距离可以是等间距也可以是非等间距的，为了更精确地拟合出水体的光学衰减系数，可以增加测量数据，如获取6组以上不同距离对应的测量数据。
综上所述，本发明提供了一种水体光学衰减系数测量装置及方法，该装置包括光源10、探测器20、与所述探测器20连接且带动所述探测器20移动的第一驱动机构30和第二驱动机构40，沿光路设于所述探测器20的前方且与第一驱动机构30连接的光斑尺寸探测单元50，以及与所述探测器20和光斑尺寸探测单元50连接的中央处理器60，所述第一驱动机构30带动探测器20沿光路移动，所述第二驱动机构40带动所述探测器20沿垂直光轴的平面进行移动扫描，所述探测器20的探测面的尺寸小于所需探测的光斑的尺寸。当光斑的尺寸大于探测器20的探测面的尺寸时，一次探测不能得到整个光斑的参数信息，因此通过设置光斑尺寸探测单元50首先探测光斑的尺寸，然后通过第二驱动机构40根据该光斑的面积带动探测器20进行移动扫描，从而获得整个光斑的参数信息，通过第一驱动机构30带动探测器20、第二驱动机构40和光斑尺寸探测单元50沿光路移动，测量不同距离对应的参数信息数据，针对得到的多组测量数据进行拟合，得到水体的光学衰减系数值。本发明结构简单，成本低廉，使用方便，效果可靠，准确度高。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种水体光学衰减系数测量装置，其特征在于，包括光源、探测器、与所述探测器连接且带动所述探测器移动的第一驱动机构和第二驱动机构，沿光路设于所述探测器的前方且与第一驱动机构连接的光斑尺寸探测单元，以及与所述探测器和光斑尺寸探测单元连接的中央处理器，所述第一驱动机构带动探测器沿光路移动，所述第二驱动机构带动所述探测器沿垂直光轴的平面进行移动扫描，所述探测器的探测面的尺寸小于所需探测的光斑的尺寸。
2.根据权利要求1所述的水体光学衰减系数测量装置，其特征在于，所述光源为连续光光源，所述探测器为照度计或功率计或单点探测器或面阵探测器。
3.根据权利要求1所述的水体光学衰减系数测量装置，其特征在于，所述探测器的探测面为矩形状。
4.根据权利要求3所述的水体光学衰减系数测量装置，其特征在于，还包括沿光路位于所述探测器前方的孔径光阑，所述孔径光阑的通光孔为矩形状。
5.根据权利要求1所述的水体光学衰减系数测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:光斑尺寸探测单元测量光源发出的光斑的初始面积，第二驱动机构根据该初始面积带动探测器移动测量光斑的初始参数信息，并将测量数据上传至中央处理器，该初始参数信息为初始辐照度值或初始辐射功率值或初始信号强度值；
S2:第一驱动机构带动探测器、第二驱动机构以及光斑尺寸探测单元沿光路移动一段距离，光斑尺寸探测单元测量对应的光斑面积，第二驱动机构根据对应的光斑面积带动探测器移动测量对应距离的辐照度值或辐射功率值或信号强度值，并将该测量数据上传至中央处理器；
S3：重复步骤S2若干次，得到不少于三组距离与辐照度值或辐射功率值或信号强度值的总测量值；
S4：中央处理器针对所有的距离与辐照度值或能量值或辐射功率值的总测量值进行拟合，得到当前水体的衰减系数值。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述光源发出的光束在水体中的传播过程满足下列公式：
Pl＝P0e-αl；
Ml＝M0e-αl；
Sl＝S0e-αl；
其中P0为光源发出的光束的初始辐射功率值，l为距离，Pl为光束在水中传播距离l后对应的辐射功率值，α为衰减系数；M0为光源发出的光束的初始辐照度值，Ml为光束在水中传播距离l后对应的辐照度值；S0为光源发出的光束的初始信号强度值，Sl光束在水中传播距离l后对应的信号强度值。
7.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，若所述光斑的参数信息呈轴对称或中心对称分布，所述第二驱动机构带动探测器进行一维扫描，并根据对称性得到整个光斑的参数信息。
8.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，若所述光斑的参数信息呈非轴对称或非中心对称分布，且光斑的长和宽分别大于探测面的长和宽，所述第二驱动机构带动探测器进行二维扫描得到整个光斑的参数信息。
9.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S1和S2中还包括，所述中央处理器将探测器上传的测量数据与对应的光斑面积进行积分，得到总测量值。
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