CN108827460A - 辐亮度探头和光学测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辐亮度探头和光学测量系统。该辐亮度探头包括：光输入单元，包括透明透光片、透镜和光纤，用于采集光；光学传感单元，将来自所述光输入单元的光进行分光处理，将各个波长的光转换成相应的电流信号；电流调节单元，用于调节所述电流信号；数据采集单元，将调节后的电流信号积分后变成电压信号以转化成不同波长的光强度值。本发明的辐亮度探头可用于海洋水体和极地地区海冰太阳辐射的测量，适用的光强度范围较宽。
Description
技术领域
本发明涉及水体检测技术领域，具体而言，涉及一种用于海洋水体和极地地区海冰太阳辐射检测的辐亮度探头和光学测量系统。
背景技术
在海洋科学研究中，需要通过在水体中来测量太阳辐射的设备。水体对光具有吸收和衰减作用，光经过介质，一部分被吸收，另外一部分偏离原传播方向被散射；吸收和散射的共同作用造成了光的衰减。
光吸收系数和光衰减的变化与水体组分具有密切的联系。除了纯水之外，光吸收系数来源于有色溶解有机物(CDOM)、浮游植物(ph)和非藻类颗粒物(NAP)的吸收贡献；悬浮颗粒物是引起光散射的主要来源，与不同组分的光吸收特性一起决定了光衰减特性的变化特征。
因此，现场光场分布受到水体中不同的物质的影响，这些物质包括浮游生物、黄色物质、非色素颗粒颗粒物、污染物以及水体本身。现有的辐亮度测量设备不能很好地适应各种水体场景，对于光变化的适应范围较窄。
另外，对于极地和高纬度的冰区，极端气候的条件导致了许多光学探头无法正常工作。
发明内容
本发明目的在于提出一种新的辐亮度探头和光学测量系统。
本发明的一个实施方案提供一种辐亮度探头，包括：
光输入单元，包括透明透光片、透镜和光纤，用于采集光；
光学传感单元，将来自所述光输入单元的光进行分光处理，将各个波长的光转换成相应的电流信号；
电流调节单元，用于调节所述电流信号；
数据采集单元，将调节后的电流信号积分后变成电压信号以转化成不同波长的光强度值。
上述的辐亮度探头中，所述电流调节单元为可调电位器或可调电阻。
上述的辐亮度探头中，包括：所述光学传感单元包括沿光路布置的狭缝、准直镜、平面光栅、凹面镜和光学传感器。
上述的辐亮度探头中，包括：所述光学传感单元包括沿光路布置的狭缝、凹面光栅和光学传感器。
上述的辐亮度探头中，包括：所述光学传感器为光电二极管阵列。
上述的辐亮度探头中，所述凹面光栅为平场全息凹面光栅。
上述的辐亮度探头中，所述透明透光片为平面玻璃。
上述的辐亮度探头中，所述辐亮度探头的外壳为钛合金圆柱体外壳。
上述的辐亮度探头中，还包括：数据缓冲单元，将所述光强度值利用滤波算法计算得到有效光强度值。
本发明的另一个实施方案提供一种光学测量系统，包括上述的辐亮度探头。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。
图1示出了本发明辐亮度探头的一个实施例的示意性框图。
图2示出了本发明的辐亮度探头的一个实施例的光路示意图。
图3示出了本发明的辐亮度探头的另一个实施例的光路示意图。
图4示出了本发明的辐亮度探头的一个实施例的电流调节的电路示意图。
图5示出了本发明的辐亮度探头的一个实施例的示意性结构图。
主要元件符号说明：
100-辐亮度探头；
110-光输入单元；
120-光学传感单元；
130-电流调节单元；
140-数据采集单元；
220-狭缝组件；
230-光栅；
240-阵列检测器；
320-狭缝组件；
331-第一凹面镜；
332-平面光栅；
333-第二凹面镜；
340-阵列检测器；
500-辐亮度探头；
511-透明透光片；
512-透镜；
513-光学纤维；
520-光学传感单元；
530-电流调节单元；
540-数据采集单元；
550-电源通信单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“A或/和B”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合，可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“横向”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
辐亮度是辐射亮度的简称。表示的是单位投影面积、单位立体角上的辐射通量。辐亮度的符号为L，单位为W/(m2*sr)，海洋光学中常用单位为(W/(cm2*nm*sr)或mW/(cm2*μm*sr)。
辐亮度随波长变化，且具有方向性，与方位角、观测角有关。辐亮度是遥感中的最重要的基本物理量。辐亮度的特点之一是与距离无关性。
本发明的一个实施方式提供一种辐亮度探头。
图1所示的辐亮度探头100包括光输入单元110，用于采集光，例如可以利用透镜将光汇集至光纤束。
例如，光纤束可由30支石英玻璃纤维组成，每支芯直径可为70μm，输入口可为圆断面，直径0.5mm。光纤束输出至后续的狭缝时，圆断面可转为横断面。
光学传感单元120，将来自所述光输入单元110的进行分光处理，将各个波长的光转换成相应的电流信号。光学传感单元120将所接收到的光进行分光处理，利用光学传感器换成相应的电流信号。
例如，图2中示出了光传感单元进行分光处理，将光信号转换成电流信号的一个示意图。在光信号经过透镜汇聚后，利用光纤传输，经狭缝组件220入射到光栅230上，光栅230将分光后的各波段的光入射到阵列检测器240上，不同波段的光入射至阵列检测器中的不同检测单元，转化为相应的电流信号。
此外，可以在光进入狭缝之前，采用光纤平面转换器，确保尽可能多的光进入狭缝，这样可以避免光纤各个角度出光的不均匀而导致的测量不稳定。
光学系统包括光学纤维和透镜(熔融石英)。视场角由纤维与透镜焦点的位置所决定。在纤维的标准安装中它是固定于一个相对焦距比较靠近透镜的位置，得到的在空气中的视场角为7°。其他视场角可根据要求在生产过程中实现。
图2中所示的光栅230为凹面光栅，例如可以是平场全息凹面光栅，虽然平场全息凹面光栅成本上比较高，但是平场全息凹面光栅使光路变的简化，该凹面光栅把平面光栅和凹面镜的功能合二为一，大大简化了光路，降低了杂散光，而且采用全息闪耀技术的凹面光栅衍射效率也大大的提高，二三级衍射被削弱。
光路的简化也造成了采用平场全息凹面光栅的光谱仪可以实现更小的体积。因此，本发明的辐亮度探头优选使用平场全息凹面光栅，有利于探头体积的减少，而且可提高衍射效率。
当然，从成本上考虑，光学传感单元120也可以不使用平场全息凹面光栅，而使用平面光栅。
如图3所示，入射光经过狭缝组件320后，经过作为准直镜的第一凹面镜331将光转化为平行光，入射至平面光栅332，平面光栅332作为分光单元将光分为不同波段的光后，入射至第二凹面镜333，第二凹面镜333将不同的波段的光入射到阵列检测器340上，不同波段的光入射至阵列检测器中的不同检测单元，转化为相应的电流信号。
分光器件使用平面光栅时，由于平面光栅复制简单，成本低廉。但是，需要额外的凹面镜和额外的准直镜，光路上变得复杂，不利于探头体积的变小，此外，平面光栅存在二三级衍射，影响光谱测量。
此外，阵列检测器240和340可以采用CCD作为光学传感器。目前主流通用微型光谱仪基本都采用CCD作为光电转换器件，CCD传感器有很高的光学灵敏度，而且可以做到很高的象素阵列。
然而，CCD用于光谱仪时可能存在如下问题：就是比较不稳定的暗电流噪声，而非内制冷式的CCD在工作中随着温度的升高，暗电流也会变化。这可能导致光谱仪重复性差。
虽然光电二极管阵列在光学灵敏度上和象素数量上比CCD传感器要差，而且价格也比CCD高很多(价格为普通CCD的10-20倍)，但是在信噪比、暗电流、温飘、重复性等方面都要远远的好于CCD，光电二极管阵列更能满足要求。因此，本发明中优选采用光电二极管阵列作为光学传感器。
电流调节单元130，用于调节所述光学传感单元的电流信号。数据采集单元140，将调节后的电流信号积分后变成电压信号以转化成不同波长的光强度值。
光谱采集的过程是将光强的信号转化为电流信号，通常，采集电路电阻的为固定值，例如为75K的电阻。
然而，本申请的发明人发现，对于光强动态范围较大的情况下，比如在光强极端较小时，采用75K电阻会导致电流较小无法被采集；而对于较大光强的情况下时，采用75K电阻会导致电流过大超过元器件的量程而饱和，从而无法获得正确的光强信息。因此，本申请的发明人设计了电流调节单元130，采用可调电阻来避免这个问题。由此，对于较弱的光强，可将电阻调节至小于75k，而对于强光，可将电阻调节至大于75k。
电流调节单元130可以采用可调电阻或者可调电位器。在图4的示意图中RP可用作电流调节单元130，光电二极管PD可以为多阵列，例如有256、512、1024、2048等等，可利用积分电容C1来存储接收到的光电信号，S电子开关控制积分时间，积分时间可以为例如20ms到1s可调。
如果图4中的RP替换为75k电阻，则该电阻和运算放大器U1构成电流电压转换电路，当接收光过于强时，在最小积分时间仍然导致电压饱和，只能调整光路让光强弱下来，才能实现正常采集。
然而，在本发明的技术方案中，将75k的固定电阻更换为可调电位器RP，例如可调范围为0-100K，即使在光过于强时，也能够实现正常采集，在同一积分时间下，也可以通过更改可调电位器RP来实现信号的放大和缩小。由此，在增加了电流调节单元130后，大大增强了对于外部光线的适应范围。
数据采集单元140可将电流信号积分后变成电压信号，再利用数模(AD)采集变换成数字量，从而输出不同波长的光强度值。
辐亮度探头100还可以包括数据缓冲单元，数据缓冲单元可将接收到的光强数据利用滤波算法计算出有效的数据并存储。
辐亮度探头100还可包括电源通信单元，电源通信单元负责给以上单元供电，同时负责与外部通信，例如负责485通讯或232串口硬件协议。
图5示出了辐亮度探头的一个实施例的结构示意图。辐亮度探头500的本体可为圆柱体形状，圆柱体外壳可以为铝合金，但是优选为钛合金，钛合金的热膨胀系数小，耐腐蚀、硬度高，确保在深海中应用的密封性。辐亮度探头500的各个单元封装在圆柱体外壳内。辐亮度探头500的光接收单元可包括透明透光片511。透明透光片511可以是平面玻璃，尤其优选光学耐压玻璃。在辐照探头的光接收端可以增加帽子，用来在水面上测量时减少水雾的影响，增加的帽子对于传感器的光学性质并没有影响，但在水中测量时需要将帽子摘除。
辐亮度探头500的光接收单元还可以包括位于透明透光片511下方的透镜512以及连接透镜的光学纤维513，用于采集光信号。
光学传感单元520将来自光输入单元的光进行分光处理，将各个波长的光转换成相应的电流信号。电流调节单元530调节光学传感单元520的电流信号。数据采集单元540将调节后的电流信号积分后变成电压信号以转化成不同波长的光强度值。此外，还可以包括其他图中未示出的单元，例如可以包括数据缓冲单元，将所述光强度值利用滤波算法计算得到有效光强度值。
辐亮度探头500利用电源通信单元550给各个单元供电，同时负责与外部通信，例如负责485通讯或232串口硬件协议。电源通信单元550上可包括多芯公接头，例如包括接地(GND)、电源(VCC)、发送(TX)、接收(RX)以及备用接头。输入电压可以是12V(±10％)或者5V。
本发明的辐亮度探头的结构紧凑，其长度可以为例如15-30cm，直径可以为例如4-7cm，是一种小巧、轻便的便携式结构。
为了满足全球气候研究的需求，实现从极地到赤道的不同自然温度下的太阳辐射测量，本发明的辐亮度探头的元件优选采用能耐受低温和高温的元件，例如，外壳采用钛合金材料；此外，还优选采用光电二极管阵列，该光学传感器可以用到从低温到高温的不同条件。在采用钛合金外壳、光学耐压玻璃时，本发明的探头还可以搭载到滑翔机、Argo浮标等，这些载体都可以在海水中做上下垂直运动，用于测量水体剖面光场测量，这种光学探头抗压，甚至可以在1000米深度进行测量。
本发明的另一个实施方式提供一种光学测量系统，包括上述的辐亮度探头。辐亮度探头可以连接至计算机设备，将相关数据传输给计算机设备，由计算机设备进行分析计算。此外，计算机设备可以控制辐亮度探头的操作，例如，可以根据外界的光强度相应地控制电流调节单元的动作。
需要说明的是，本发明中提及的术语“计算机设备”是广义上的术语，其可包括例如服务器、个人电脑、笔记本电脑、平板电脑、智能手机等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种辐亮度探头，其特征在于，包括：
光输入单元，包括透明透光片、透镜和光纤，用于采集光；
光学传感单元，将来自所述光输入单元的光进行分光处理，将各个波长的光转换成相应的电流信号；
电流调节单元，用于调节所述电流信号；
数据采集单元，将调节后的电流信号积分后变成电压信号以转化成不同波长的光强度值。
2.根据权利要求1所述的辐亮度探头，其特征在于，所述电流调节单元为可调电位器或可调电阻。
3.根据权利要求1所述的辐亮度探头，其特征在于，包括：所述光学传感单元包括沿光路布置的狭缝、准直镜、平面光栅、凹面镜和光学传感器。
4.根据权利要求1所述的辐亮度探头，其特征在于，包括：所述光学传感单元包括沿光路布置的狭缝、凹面光栅和光学传感器。
5.根据权利要求3或4所述的辐亮度探头，其特征在于，包括：所述光学传感器为光电二极管阵列。
6.根据权利要求4所述的辐亮度探头，其特征在于，所述凹面光栅为平场全息凹面光栅。
7.根据权利要求1所述的辐亮度探头，其特征在于，所述透明透光片为平面玻璃。
8.根据权利要求1所述的辐亮度探头，其特征在于，所述辐亮度探头的外壳为钛合金圆柱体外壳。
9.根据权利要求1所述的辐亮度探头，其特征在于，还包括：数据缓冲单元，将所述光强度值利用滤波算法计算得到有效光强度值。
10.一种光学测量系统，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的辐亮度探头。
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