CN113340851A

CN113340851A - 一种水体前向小角度三维体积散射函数测量系统

Info

Publication number: CN113340851A
Application number: CN202110581899.0A
Authority: CN
Inventors: 刘秉义; 陈都; 唐军武
Original assignee: Ocean University of China; Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology Development Center
Current assignee: Ocean University of China; Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology Development Center
Priority date: 2021-05-24
Filing date: 2021-05-24
Publication date: 2021-09-03

Abstract

一种水体前向小角度三维体积散射函数测量系统，其特点包括激光发射器、散射体、离轴抛物面反射镜、非球面透镜组、小孔光阑、CMOS偏振敏感相机以及计算机，散射体位于离轴抛物面反射镜的焦点处。入射激光入射到散射体上，透射激光经过离轴抛物面镜反射面通孔穿过背面通孔，散射体的前向小角度散射光经离轴抛物面反射镜反射变换为平行光束，再经过非球面透镜组准直后由CMOS偏振敏感相机接收。根据前向散射角与CMOS像素点位置的对应关系，即可获得水体不同方位角散射平面上的前向小角度体积散射函数。本发明专利所提出的测量系统可以用于测量水体前向小角度三维体积散射函数。

Description

一种水体前向小角度三维体积散射函数测量系统

技术领域

本发明属于海洋光学领域，具体涉及一种水体前向小角度三维体积散射函数测量系统及其测量方法。

背景技术

海洋水体主要组分包括纯水、可溶盐、悬浮颗粒物以及可溶有机物，因此海洋光学是研究海洋水体的光学参数特性、光在海洋水体组分之间的相互作用、光在海洋水体中的传输规律以及光学现象，属于物理海洋学和光学的交叉学科领域。叶绿素、黄色物质(CDOM)、悬浮颗粒物作为海洋水色三要素，是影响海洋光学性质的重要因素，而在海水中，引起光散射的主要对象就是海水的水分子和海水悬浮颗粒物，海水悬浮颗粒物的光学散射特性能够影响激光在海水中的传输特性。海水光学散射的测量可以用于计算更为准确的海水散射系数，可以改善海洋水色遥感的反演模型，提高反演精度。

体积散射函数(VSF)是水体的一个很重要的固有光学性质(IOPs)，物理意义表示为单位体积内、单位入射辐照度的散射强度；通过体积散射函数可获得水体的所有固有光学特性参数。然而水体的散射测量，尤其是体积散射函数和散射相函数更是国际难题。海水的散射测量比吸收测量要困难得多，主要原因有三点：其一，散射角度从0.1°变到90°的过程中，散射强度的变化大约有五、六个数量级；其二，固定角度散射强度在不同的水样中的变化也有两个数量级；其三，前向小角度散射(θ<1°)和后向小角度散射(θ>179°)的测量尤其困难。前后向小角度散射的测量虽然困难，但对水体散射的研究又具有特别的意义，由于几乎一半的散射强度集中在前向小角度的范围内，前向小角度的准确测量对于通过积分获得散射系数b就至关重要，而且由于水下成像的理论与水体散射理论和粒子光学特性都息息相关，前向小角度散射的研究对于水下成像很重要，后向小角度散射的对于激光遥感应用也非常重要。1972年，PETZOLD研制了第一台前向小角度体积散射函数测量仪，利用衍射原理使用不同规格的环形光阑，能够测量0.1°-10°范围内前向小角度散射，PETZOLD所获取的前向小角度体积散射函数数据至今仍再被使用。目前市面上成熟的前向小角度散射测量系统商业化产品主要以LISST系列测量仪为代表，其前向小角度散射测量原理也是基于衍射原理，利用同心圆环形探测器测量不同角度的前向散射，比如LISST-VSF系列能够测量0.1°-15°内的前向散射信号。

由于激光在海水中传输时，大多数的散射光能量集中在海水的前向小角度散射光中，尤其是集中在沿激光传输方向的前向小角度散射光附近，在0°-5°范围内的前向小角度散射光就占散射光能量的50％以上，因此，精确的测量海水的前向小角度散射对计算海水总的散射系数，提高海洋水色遥感的反演精度具有重要意义；此外，海水的前向小角度散射测量对水下光学成像具有重要意义。而目前应用较为广泛的前向小角度散射测量仪主要依赖于美国SEQUOIA公司的LISST系列产品，国产化的前向小角度散射测量仪应用较为稀少，因此有必要提出一种具有国内知识产权的水体前向小角度散射测量系统与方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种水体前向小角度三维体积散射函数测量系统，该测量系统能够测量水体的前向小角度散射信号。本发明还提供了一种基于该前向小角度水体三维体积散射函数测量系统的测量方法。

一种水体前向小角度三维体积散射函数测量系统，包括激光发射器、散射体、离轴抛物面反射镜、非球面透镜组、小孔光阑、CMOS偏振敏感相机以及计算机，散射体位于离轴抛物面反射镜的焦点处。所述元件均放置于笼式结构中以保证各元件之间的相互共轴，激光发射器位于离轴抛物面反射镜的背面处，激光器发射的激光入射到散射体后，其透射激光穿过背面通孔(如无通孔，透射激光将经离轴抛物面反射镜反射进入相机，影响实验结果)。经散射体散射后，前向小角度散射光经离轴抛物面反射镜的反射面转为平行散射光，再经由非球面透镜组调整束宽由CMOS偏振敏感相机接收散射光信号并传递到计算机进行处理分析。根据前向散射角与CMOS像素点位置的对应关系，即可获得水体不同方位角散射平面上的前向小角度体积散射函数。

离轴抛物面反射镜的反射表面等效于母抛物面的一部分，反射表面中心开有小孔，且反射表面镀有保护层的银膜，对波长在450nm-20μm的光信号的平均反射率大于96％，能够无色散地聚焦准直光束，这种设计可以消除透射光学元件所产生的相位延迟和吸收造成的能量损耗。其背面开有通孔，直通反射镜表面中心的小孔，通孔结构为锥形结构，这样在该测量系统中，激光器发射的激光入射到散射体后，其透射激光就可以通过该小孔穿出，产生的前向小角度散射光就可以经过反射面反射为平行散射光。

所述的非球面透镜组，其为使用数控机床机器打磨抛光的高精度非球面透镜，具有近场衍射限制性能。例如，直径15mm数控机床抛光的非球面透镜的波前误差一般比模具成型的透镜小20倍到50倍。这些非球面透镜经过优化，用于聚焦入射在透镜非球面侧的光，能够实现最小的球差。也可以用于准直光束，在本发明中利用此非球面透镜对前向小角度散射光准直并调整束宽，非球面透镜两面都镀有350mm-700mm的增透膜，在350mm-700mm波段处的光束平均反射率小于0.5％。

所述的CMOS偏振敏感相机，提供黑白CMOS传感器。其图像传感器采用了集成的线偏振片阵列，线偏振片阵列由偏振方向为0°、45°、-45°和90°的四个线偏振片组成，每个像素都分别覆盖四个线偏振片中的一个。像素点可以获取在每个像素处散射光信号的三个偏振参数：强度、线偏振度和方位角。

在本测量系统中，所使用的CMOS偏振敏感相机的像区尺寸为8.4456mm*7.0656mm，而离轴抛物面底座直径为50.8mm,所以经离轴抛物面反射镜反射回来的前向小角度散射光无法被CMOS相机全部有效接收，因此在所采用的CMOS偏振敏感相机和离轴抛物面反射镜中间加入所选取的高精度非球面透镜组用于调整束宽。同时，在两面非球面透镜的共焦平面上放置一个小孔光阑用于滤除其他的空间杂散光。

与现有测量技术对比，本发明的有益效果是：(1)相比于现有的散射测量系统，该测量系统采用离轴抛物面反射镜的设计能够针对水体的前向小角度散射光进行测量，并将角度分辨率有效提高到至少0.01°，从而能够准确获得水体的前向小角度三维体积散射函数。(2)测量系统所采用的高精度非球面透镜组有效的避免了在调整散射光束宽时而产生的球差与像差。(3)测量系统能够通过成像获取到各个方位角散射平面上的散射光信号，实现三维空间上的水体前向小角度体积散射函数测量。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图中：101.激光发射器，102.散射体，103.离轴抛物面反射镜，104.透射激光，105.100mm焦距非球面透镜，106.小孔光阑，107.12mm焦距非球面透镜，108.CMOS偏振敏感相机，109.计算机。

图2是离轴抛物面反射镜的结构示意图。

图3是90°离轴角离轴抛物面反射镜截面图。

图中：301.母抛物面，302.焦点，303.母抛物面光轴，304.焦轴，305.离轴角θ(θ＝90°)，306.离轴抛物面反射镜光轴，307.平行散射光，308.反射表面，309.通孔，310.小孔。

图4是CMOS传感器四向线偏振片阵列示意图；

图中：401.光电二极管阵列402.线偏振片阵列403.微透镜阵列。

图5是测量系统实验步骤流程图。

具体实施方式

如图1-4所示，一种水体前向小角度三维体积散射函数测量系统，包括计算机109，其特征是还包括置于笼式结构中的激光器101、离轴抛物面反射镜103、非球面透镜组、CMOS偏振敏感相机108；所述离轴抛物面反射镜103与非球面透镜组和CMOS偏振敏感相机108为共轴方向；所述的离轴抛物面反射镜103截面图如附图3所示，离轴抛物面反射镜103的反射表面308是母抛物面301的截面，离轴抛物面反射镜103的焦点302与母抛物面301焦点302重合，离轴抛物面反射镜光轴306与母抛物面光轴303平行，离轴抛物面反射镜103所采用的离轴角305为90°；离轴抛物面反射镜102背面开有锥形结构的通孔309，该通孔309穿过反射表面308而形成小孔310，通孔309的中轴线与母抛物面301的焦轴304共轴；激光器101产生的入射激光入射到散射体102上，所产生的透射激光104通过反射表面308的小孔310穿过背面通孔309；透射光虽然不被离轴抛物面反射镜反射，似乎没有起到作用，但需要强调的是该光束必须从通孔穿出，倘若不从通孔穿出会反射进入到相机，将会影响实验结果；经散射体102散射后的前向小角度散射光由离轴抛物面反射镜103反射变换为平行散射光307，再经过非球面透镜组调整束宽后，由CMOS偏振敏感相机108接收水体前向小角度散射光信号，并将散射光信号传递至计算机109进行处理以获得水体不同方位角散射平面上前向小角度体积散射函数。

所述的CMOS偏振敏感相机108的像素为500万；如附图4所示，其图像传感器采用了集成的线偏振片阵列402，线偏振片阵列402由偏振方向为0°、45°、-45°和90°的四个线偏振片组成，每个像素都分别覆盖四个线偏振片中的一个。像素点可以获取在每个像素处散射光信号的三个偏振参数：强度、线偏振度和方位角。

所述非球面透镜组由100mm焦距非球面透镜105、12mm焦距非球面透镜107组成，两片非球面透镜采用高精度CNC抛光，平行散射光经过非球面透镜组以对光束减少球差像差以及整形准直，非球面透镜两面都镀有350mm-700mm的增透膜，在350mm-700mm波段处的光束平均反射率小于0.5％；所述的激光器101发射波长为532nm。

如图1所示，所述100mm焦距非球面透镜105与12mm焦距非球面透镜107之间加有小孔光阑106，用于消除空间杂散光及其他角度散射光。

本发明示意图如图1所示。调整并搭建完整个系统光路后，测量步骤为：

1)开启激光器101和CMOS偏振敏感相机108，预热激光器101至输出功率稳定，关闭环境所有光源，在全黑环境下测量没有散射体时由激光所产生的环境背景光，获取图像，重复获取不少于100帧环境背景光图像；

2)将含有样品的比色皿作为散射体103放置在激光所能照射到的位置，使散射体103中心位于离轴抛物面反射镜102焦点处，关闭环境所有光源，在全黑环境下测量样品前向小角度散射光，获取图像，重复获取不少于100帧样品前向小角度散射光图像；

3)通过计算机处理，对步骤1)获取的多帧环境背景光图像中值平均处理后，作为背景光强度I_B，对步骤2)获取的样品前向小角度散射光图像中值平均处理后获取样品前向小角度散射光强度I_S；由背景光强度I_B校正前向小角度散射光强度I_S，获取校正后的样品前向小角度散射光强度I_S1；

4)利用校正后的样品前向小角度散射光强度I_S1以及所设定的入射激光总光强，实现对校正结果各像素点标准散射角度反演对应散射角的散射强度，获取样品在不同方位角散射平面上的前向小角度体积散射函数。

用体积散射函数β(θ)表示入射光中从角度θ散射到立体角ΔΩ内的散射率，则单位距离单位立体角内的散射率，其定义表达式如下：

其中，Φ_s(θ)被散射到单位立体角为△Ω的空间上的散射光，Φ_i为入射光，△r为单位距离，△Ω为单位立体角；在一个平面内以不同角度测量散射辐射通量，即可获取三维空间内的体积散射函数。

进一步，由于单波长光源的光强I(θ)与辐射通量Φ(θ)呈线性相关，即：

Φ_s(θ)＝△ΩI_s(θ)，Φ_i＝△ΩI_i

其中△Ω为单位立体角，I_s(θ)为散射光强，I_i为入射光强因此，体积散射函数又被定义为单位体积内单位入射辐照度的散射强度。

Claims

1.一种水体前向小角度三维体积散射函数测量系统，包括计算机（109），其特征是还包括置于笼式结构中的激光器（101）、离轴抛物面反射镜（103）、非球面透镜组、CMOS偏振敏感相机（108）；所述离轴抛物面反射镜（103）与非球面透镜组和CMOS偏振敏感相机（108）为共轴方向；所述的离轴抛物面反射镜（103）截面图如附图3所示，离轴抛物面反射镜（103）的反射表面（308）是母抛物面（301）的截面，离轴抛物面反射镜（103）的焦点（302）与母抛物面（301）焦点（302）重合，离轴抛物面反射镜光轴（306）与母抛物面光轴（303）平行，离轴抛物面反射镜（103）所采用的离轴角（305）为90°；离轴抛物面反射镜（102）背面开有锥形结构的通孔（309），该通孔（309）穿过反射表面（308）而形成小孔（310），通孔（309）的中轴线与母抛物面（301）的焦轴（304）共轴；激光器（101）产生的入射激光入射到散射体（102）上，透射激光（104）通过反射表面（308）的小孔（310）穿过背面通孔（309）；经散射体（102）散射后的前向小角度散射光由离轴抛物面反射镜（103）反射变换为平行散射光（307），再经过非球面透镜组调整束宽后，由CMOS偏振敏感相机（108）接收水体前向小角度散射光信号，并将散射光信号传递至计算机（109）进行处理以获得水体不同方位角散射平面上前向小角度体积散射函数。

2.根据权利要求1所述的水体前向小角度三维体积散射函数测量系统，其特征在于所述的CMOS偏振敏感相机（108）的像素为500万；如附图4所示，其图像传感器采用了集成的线偏振片阵列（402），线偏振片阵列（402）由偏振方向为0°、45°、-45°和90°的四个线偏振片组成，每个像素都分别覆盖四个线偏振片中的一个。

3.根据权利要求1所述的水体前向小角度三维体积散射函数测量系统，其特征在于所述非球面透镜组由100mm焦距非球面透镜（105）、12mm焦距非球面透镜（107）组成，两片非球面透镜采用高精度CNC抛光，平行散射光经过非球面透镜组以对光束减少球差像差以及整形准直，非球面透镜两面都镀有350mm-700mm的增透膜，在350mm-700mm波段处的光束平均反射率小于0.5%；所述的激光器（101）发射波长为532nm。

4.根据权利要求3所述的水体前向小角度三维体积散射函数测量系统，其特征在于所述100mm焦距非球面透镜（105）与12mm焦距非球面透镜（107）之间加有小孔光阑（106），用于消除空间杂散光及其他角度散射光。

5.利用权利要求1所述的系统测量水体前向小角度三维体积散射函数的方法，其特征是包括以下步骤：

1）开启激光器（101）和CMOS偏振敏感相机（108），预热激光器（101）至输出功率稳定，关闭环境所有光源，在全黑环境下测量没有散射体时由激光所产生的环境背景光，获取图像，重复获取不少于100帧环境背景光图像；

2）将含有样品的比色皿作为散射体（103）放置在激光所能照射到的位置，使散射体（103）中心位于离轴抛物面反射镜（102）焦点处，关闭环境所有光源，在全黑环境下测量样品前向小角度散射光，获取图像，重复获取不少于100帧样品前向小角度散射光图像；

3）通过计算机处理，对步骤1）获取的多帧环境背景光图像中值平均处理后，作为背景光强度I_B，对步骤2）获取的样品前向小角度散射光图像中值平均处理后获取样品前向小角度散射光强度I_S；由背景光强度I_B校正前向小角度散射光强度I_S，获取校正后的样品前向小角度散射光强度I_S1；

4）利用校正后的样品前向小角度散射光强度I_S1以及所设定的入射激光总光强，实现对校正结果各像素点标准散射角度反演对应散射角的散射强度，获取样品在不同方位角散射平面上的前向小角度三维体积散射函数。