CN113466139A - 一种等臂对比式水体光学衰减系数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等臂对比式水体光学衰减系数测量装置，其中：包括空气对比测试区和水体样品测试区这两个隔离腔室，中间隔板设有若干透明玻璃窗口；所述空气对比测试区中设有激光器、分束器、第一光开关、第二光开关、第二全反射镜、探测器；所述水体样品测试区中设有第一全反射镜、合束器、第三全反射镜；激光器发射激光束经过分束器分成两束的功率相同的激光，分别经历长度相同的空气信道和水体信道，并保证其所经历的光路信道上的器件相同，测量接收的光信号功率，经过对比计算即可得到水质衰减系数，消除了光路信道中其他非水质因素对测量结果的影响，保证了光学衰减系数值的准确性。

Description

一种等臂对比式水体光学衰减系数测量装置及方法

技术领域

本发明属于水下光学探测技术领域，具体涉及一种等臂对比式水体光学衰减系数测量装置及方法。

背景技术

近年来，随着技术的发展，水下无线光通信手段逐渐兴起。水下无线光通信手段使用蓝绿光波段信号传输信息，具有带宽大、速率高、设备体积小等优点，但受限于水体环境多样性，水下无线光通信系统在不同水体条件下得到的最远水下光通信距离都有所不同，最终影响通信系统的通信距离和速率的达成。水下无线光通信系统需要在各种实用条件下预估通信质量，为实际用户适时调整优化通信参数提供参考，因此，方便快捷的测量出通信水域光信号衰减系数显得尤为重要。

然而，当前国际上通常用来观测光能量在水中的光学衰减系数的仪器，如AC系列衰减系数测量仪，价格昂贵，操作复杂，不适于进行大规模的商业以及军事应用。因此，提供一种低成本，易操作的快速水体光学衰减系数测量装置是水下无线光通信技术实用化过程中的一个重要组成部分。

发明内容

针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本发明提供了一种低成本，易操作的快速水体光学衰减系数测量装置及方法。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种等臂对比式水体光学衰减系数测量装置，其中：包括空气对比测试区和水体样品测试区这两个隔离腔室，中间隔板设有若干透明玻璃窗口；

所述空气对比测试区中设有激光器、分束器、第一光开关、第二光开关、第二全反射镜、探测器；

所述水体样品测试区中设有第一全反射镜、合束器、第三全反射镜；

激光器发射激光束经过分束器分成两束的功率相同的激光，一束激光经过第一光开关，穿过第一透明玻璃窗口，进入水体样品测试区，然后在第一全反射镜界面全反射后，在水体中水平传输后穿过合束器，到达第三全反射镜界面全反射后，穿过第三透明玻璃窗口返回空气对比测试区，被探测器接收，构成第一传输光路；

分束器的另一束激光在空气中水平传输后，在第二全反射镜界面全反射，经过第二光开关后，穿过第二透明玻璃窗口进入水体样品测试区，经过合束器后，到达第三全反射镜界面全反射后，穿过第三透明玻璃窗口返回空气对比测试区，被探测器接收，构成第二传输光路。

进一步优选地，所述激光器为连续激光器，和/或，所述探测器为功率计、单点探测器或面阵探测器。

进一步优选地，所述第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜中的任一采用等腰直角棱镜。

进一步优选地，所述水体样品测试区中第一全反射镜与合束器之间采用全反射阵列结构，形成对光路的多次180°反向。

进一步优选地，所述第一光开关和第二光开关，关断状态下阻断光通过，并且同一时间只有一个光开关处于开通状态。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，还提供了一种等臂对比式水体光学衰减系数测量装置的测量方法，其中，包括如下步骤：

分别测量第一传输光路和第二传输光路下，各自被探测器接收的光功率；

对比第一传输光路和第二传输光路的探测器接收光功率，结合第一全反射镜与合束器之间传输的对比光路距离，计算水体样品的光学衰减系数值。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，还提供了一种等臂对比式水体光学衰减系数测量装置的测量方法，其中，包括如下步骤：

S1、在水体样品测试区未注入样品水体之前，进行调试；

S2、在水体样品测试区中注入样品水体，打开第一光开关，关闭第二光开关，测量第一传输光路最后被探测器接收的光功率，记录此时探测的光功率P₀；

S3、打开第二光开关，关闭第一光开关，测量第二传输光路最后被探测器接收的光功率，记录此时探测的光功率P₁；

S4、最后进行数据处理，水体的光学衰减系数值C＝(P₁-P₀)/L，其中L为第一全反射镜与合束器之间的传输光路距离。

进一步优选地，步骤S1中，所述调试的步骤为：

打开激光器，在未注入样品水体的条件下，按照步骤S2和S3测量P₀和P₁，调试确保两个光路上的光功率相同，且探测器的探测面积大于接收光斑面积，光斑功率被探测器完全接收。

进一步优选地，在步骤S4之前，重复步骤S2、S3，获得P₀和P₁的多组数据，分别取平均值；以各自的平均值代入步骤S4。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，还提供了一种等臂对比式水体光学衰减系数测量装置的测量方法，其中，包括如下步骤：

S1、在水体样品测试区未注入样品水体之前，进行调试；

S2、在水体样品测试区中注入样品水体，打开第一光开关，关闭第二光开关，测量第一传输光路最后被探测器接收的光功率，记录此时探测的光功率P₀；

S3、打开第二光开关，关闭第一光开关，测量第二传输光路最后被探测器接收的光功率，记录此时探测的光功率P₁；

S4、最后进行数据处理，水体的光学衰减系数值C＝(P₁-P₀)/L，其中L为第一全反射镜与合束器之间的传输光路距离，L＝(m+1)d，m为180°反向的次数，d为全反射阵列结构中一组全反射镜之间的间距。

上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置及方法，采用平行光路对比法进行水质衰减系数测量，使同样功率的光信号分别经历长度相同的空气信道和水体信道，并保证其所经历的光路信道上的器件相同，测量接收的光信号功率，经过对比计算即可得到水质衰减系数。该方法理论上可以消除了光路信道中的其他变量(玻璃界面反射和玻璃吸收)等其他非水质因素对测量结果的影响，保证了光学衰减系数值的准确性。

2、本发明的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置及方法，激光器和探测器通过双腔结构与待测水体样品隔离开，不需要进行特殊的防水处理。

3、本发明的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置及方法，所有的透明玻璃窗口的性质参数完全保持一致，其他光路中对称器件的性质参数也保持一致，两个传输光路构成等臂传输。

4、本发明的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置及方法，全反射镜采用全反射等腰直角棱镜组成，器件结构稳固，光路的反射角度稳定。

5、本发明的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置及方法，可以通过多个组合构成全反射阵列结构，对光路进行折叠组合，进一步提高对比光路区域的长度，增强水体信道和空气信道损耗对比度。

6、本发明的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置及方法，第一光开关和第二光开关，采用电控物理开关，周期交替性完全挡住两个传输光路中的一路光。

附图说明

图1是本发明实施例的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置的示意图；

图2是本发明实施例的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置的全反射阵列结构示意图；

图3是本发明实施例的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置的测量方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

如图1-3所示，本发明提供一种等臂对比式水体光学衰减系数测量装置，其中：包括空气对比测试区A(Air)和水体样品测试区W(Water)这两个隔离腔室，中间隔板设有若干透明玻璃窗口。在两个独立隔离腔室中选择一个安装进水口和出水口，注入样品水体，构成水体样品测试区W；在一个腔室中，安装有源的激光器和探测器(均有电)，构成空气对比测试区A，与水体样品测试区W隔开，两个区域之间需要透光窗口，但能隔绝水，防止水浸泡激光器探测器等有电设备。

所述空气对比测试区A中设有激光器1、分束器2、第一光开关31、第二光开关32、第二全反射镜52、探测器7。

所述水体样品测试区W中设有第一全反射镜51、合束器6、第三全反射镜53。

本发明的光路简要说明如下：

第一传输光路：激光器1发射激光束经过分束器2分成两束的功率相同的激光，一束激光经过第一光开关31，穿过第一透明玻璃窗口41，进入水体样品测试区W，然后在第一全反射镜51界面全反射后，在水体中水平传输一段距离(即水体衰减对比区域)，然后穿过合束器6，到达第三全反射镜53界面全反射后，穿过第三透明玻璃窗口43返回空气对比测试区A，被探测器7接收，构成第一传输光路；

第二传输光路：分束器2的另一束激光在空气中水平传输一段距离(即空气衰减对比区域，与水体衰减对比区域长度一致)后，在第二全反射镜52界面全反射，经过第二光开关32后，穿过第二透明玻璃窗口42进入水体样品测试区W，经过合束器6后，到达第三全反射镜53界面全反射后，穿过第三透明玻璃窗口43返回空气对比测试区A，被探测器7接收，构成第二传输光路。

通过第一光开关和第二光开关控制，第一个传输光路和第二传输光路在同一时间只有一个光路是联通的；第一传输光路和第二传输光路除了水体衰减对比区域和空气衰减对比区域外，其他光路损耗保持一致；对比第一传输光路和第二传输光路的探测器接收光功率，结合水平传输的对比光路距离，可计算获得准确的水体样品的光学衰减系数值。

进一步优选地，所述激光器1为连续激光器，和/或，所述探测器7为功率计、单点探测器或面阵探测器。

进一步优选地，所述激光器1和探测器7通过双腔结构与待测水体样品隔离开，不需要进行特殊的防水处理。

进一步优选地，所述探测器7的探测面积大于接收光斑面积。

进一步优选地，所述分束器2具体为可变分束器，将激光器1的激光束分成第一传输光路和第二传输光路起始端的功率相同的两束激光。

进一步优选地，所有的透明玻璃窗口的性质参数完全保持一致，其他光路中对称器件的性质参数也保持一致，两个传输光路构成等臂传输。

进一步优选地，两个隔离腔室的外壁，中间隔板除了透明玻璃窗口的其余部分，均不透明，消除外界外线的干扰。

进一步优选地，所有的全反射镜均采用等腰直角棱镜，器件结构稳固，光路的反射角度稳定，可以完全将入射光进行90°的全反射，可以是由等腰直角棱镜斜面外部反射，也可以是等腰直角棱镜斜面内部反射等方式实现界面全反射。

进一步优选地，所述水体样品测试区W设有进水口81和出水口82，用于导入和排出水体样品，可以直接与待测水体相通，导入水体样品，也可以通过水泵控制水体样品的注入和排出。

进一步优选地，所述第一光开关31和第二光开关32，关断状态下阻断光通过，并且同一时间只有一个光开关处于开通状态，采用电控物理开关，周期交替性完全挡住两个传输光路中的一路光。两个光开关任一可以位于水体样品测试区中。

本发明提供了一种等臂对比式水体光学衰减系数测量装置的测量方法，其中，包括如下步骤：

分别测量第一传输光路和第二传输光路下，各自被探测器7接收的光功率；

对比第一传输光路和第二传输光路的探测器接收光功率，结合第一全反射镜51与合束器6之间传输的对比光路距离，计算水体样品的光学衰减系数值。

如图3所示，具体地讲包括如下步骤：

S1、在水体样品测试区W未注入样品水体之前，进行调试；所述调试的步骤为：打开激光器，在未注入样品水体的条件下，按照步骤S2和S3测量P₀和P₁，调试确保两个光路上的光功率相同，且探测器的探测面积大于接收光斑面积，光斑功率被探测器完全接收；

S2、在水体样品测试区W中注入样品水体，打开第一光开关31，关闭第二光开关32，测量第一传输光路(水体样品测试区光路)最后被探测器7接收的光功率，记录此时探测的光功率P₀；

S3、打开第二光开关32，关闭第一光开关31，测量第二传输光路(空气对比测试区光路)最后被探测器7接收的光功率，记录此时探测的光功率P₁；其中步骤S2和S3不分先后顺序；

S4、重复步骤S2、S3，获得P₀和P₁的多组数据，分别取平均值代入步骤S5中；

S5、最后进行数据处理，根据光在水体中传播的机制，激光光束在水中的衰减规律公式E(r)＝E0exp(-C·L)，等号两端同时取自然对数可得lnE(r)＝lnE-C·L，而按照公式P＝A+B·L，这里的参数L是水体测试区和空气测试区的对比区域长度，参数B即为对比区域的光学衰减系数C，而A表征的是对比区域之外的其他所有的光学损耗。将空气的光学衰减系数记为零时，则水体的光学衰减系数值C＝(P₁-P₀)/L，其中L具体为第一全反射镜51与合束器6之间的传输光路距离。

进一步地，由于实际器件可能存在的差异，非水质因素的变量仍会对实际测量结果造成一定影响。为获得比较准确的水体光学衰减系数测量值，需要突出空气传播信道与水体样品传播信道的光衰减对比度，增加两个光路的对比区域有效长度。但对比区域长度增长，也会增加整体腔体的长度，增加该水质监测系统的空间安装难度。

参见图2，本发明实施例提供等臂对比式水体光学衰减系数测量装置的俯视视角的全反射阵列结构，进一步优选地，所述水体样品测试区W中第一全反射镜51与合束器6之间采用全反射阵列结构，形成对水平光路的多次180°反向，通过多个组合方式对光路进行折叠组合，进一步提高对比光路区域的长度。

全反射阵列是由多个全反射镜组成，相邻的反射界面可构成一个等腰直角三角形。根据全反射的光学原理，界面反射后光束走的光程与镜像所走光程相等，因此，光束每经历过一次来回180°反射，就等效增加了一个d的传播光程，d为两个全反射镜之间的间距。以两个全反射镜为一组，构成全反射阵列的基本单元，则一组反射单元可增加d的传播光程，则本发明的测量装置中，激光光束在水体样品中的对比区域长度L可由反射阵列的单元组数n和反射阵列之间的间距进行扩展，L＝n*d，其中第一全反射镜51与其对面的全反射镜形成n的第一组，合束器6与其对面的全反射镜形成第n组，d具体为全反射阵列结构中每组全反射镜之间的间距。L的另一种表达为L＝(m+1)d，m为180°反向的次数，n＝m+1。

相应的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置的测量方法，其中，包括如下步骤：

S1、在水体样品测试区W未注入样品水体之前，进行调试；所述调试的步骤为：打开激光器，在未注入样品水体的条件下，按照步骤S2和S3测量P₀和P₁，调试确保两个光路上的光功率相同，且探测器的探测面积大于接收光斑面积，光斑功率被探测器完全接收；

S2、在水体样品测试区W中注入样品水体，打开第一光开关31，关闭第二光开关32，测量第一传输光路(水体样品测试区光路)最后被探测器7接收的光功率，记录此时探测的光功率P₀；

S3、打开第二光开关32，关闭第一光开关31，测量第二传输光路(空气对比测试区光路)最后被探测器7接收的光功率，记录此时探测的光功率P₁；其中步骤S2和S3不分先后顺序；

S4、重复步骤S2、S3，获得P₀和P₁的多组数据，分别取平均值代入步骤S5中；

S5、最后进行数据处理，水体的光学衰减系数值C＝(P₁-P₀)/L，其中L为第一全反射镜51与合束器6之间的传输光路距离，L＝n*d＝(m+1)d。

综上所述，与现有技术相比，本发明的方案具有如下显著优势：

本发明的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置及方法，采用平行光路对比法进行水质衰减系数测量，使同样功率的光信号分别经历长度相同的空气信道和水体信道，并保证其所经历的光路信道上的器件相同，测量接收的光信号功率，经过对比计算即可得到水质衰减系数。该方法理论上可以消除了光路信道中的其他变量(玻璃界面反射和玻璃吸收)等其他非水质因素对测量结果的影响，保证了光学衰减系数值的准确性。

本发明的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置及方法，激光器和探测器通过双腔结构与待测水体样品隔离开，不需要进行特殊的防水处理。

本发明的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置及方法，所有的透明玻璃窗口的性质参数完全保持一致，其他光路中对称器件的性质参数也保持一致，两个传输光路构成等臂传输。

本发明的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置及方法，全反射镜采用全反射等腰直角棱镜组成，器件结构稳固，光路的反射角度稳定。

本发明的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置及方法，可以通过多个组合构成全反射阵列结构，对光路进行折叠组合，进一步提高对比光路区域的长度，增强水体信道和空气信道损耗对比度。

本发明的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置及方法，第一光开关和第二光开关，采用电控物理开关，周期交替性完全挡住两个传输光路中的一路光。

可以理解的是，以上所描述的系统的实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，既可以位于一个地方，或者也可以分布到不同网络单元上。可以根据实际需要选择其中的部分或全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

另外，本领域内的技术人员应当理解的是，在本发明实施例的申请文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例的说明书中，说明了大量具体细节。然而应当理解的是，本发明实施例的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明实施例公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明实施例的示例性实施例的描述中，本发明实施例的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。

然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明实施例要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明实施例的单独实施例。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种等臂对比式水体光学衰减系数测量装置，其特征在于：包括空气对比测试区(A)和水体样品测试区(W)这两个隔离腔室，中间隔板设有若干透明玻璃窗口；

所述空气对比测试区(A)中设有激光器(1)、分束器(2)、第一光开关(31)、第二光开关(32)、第二全反射镜(52)、探测器(7)；

所述水体样品测试区(W)中设有第一全反射镜(51)、合束器(6)、第三全反射镜(53)；

激光器(1)发射激光束经过分束器(2)分成两束的功率相同的激光，一束激光经过第一光开关(31)，穿过第一透明玻璃窗口(41)，进入水体样品测试区(W)，然后在第一全反射镜(51)界面全反射后，在水体中传输后穿过合束器(6)，到达第三全反射镜(53)界面全反射后，穿过第三透明玻璃窗口(43)返回空气对比测试区(A)，被探测器(7)接收，构成第一传输光路；

分束器(2)的另一束激光在空气中传输后，在第二全反射镜(52)界面全反射，经过第二光开关(32)后，穿过第二透明玻璃窗口(42)进入水体样品测试区(W)，经过合束器(6)后，到达第三全反射镜(53)界面全反射后，穿过第三透明玻璃窗口(43)返回空气对比测试区(A)，被探测器(7)接收，构成第二传输光路。

2.如权利要求1所述的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置，其特征在于：

所述激光器(1)为连续激光器，和/或，所述探测器(7)为功率计、单点探测器或面阵探测器。

3.如权利要求1所述的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置，其特征在于：

所述第一全反射镜(51)、第二全反射镜(52)、第三全反射镜(53)中的任一采用等腰直角棱镜。

4.如权利要求1所述的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置，其特征在于：

所述水体样品测试区(W)中第一全反射镜(51)与合束器(6)之间采用全反射阵列结构，形成对光路的多次180°反向。

5.如权利要求1所述的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置，其特征在于：

所述第一光开关(31)和第二光开关(32)，关断状态下阻断光通过，并且同一时间只有一个光开关处于开通状态。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

分别测量第一传输光路和第二传输光路下，各自被探测器(7)接收的光功率；

对比第一传输光路和第二传输光路的探测器接收光功率，结合第一全反射镜(51)与合束器(6)之间传输的对比光路距离，计算水体样品的光学衰减系数值。

7.一种如权利要求1-5任一项所述的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在水体样品测试区(W)未注入样品水体之前，进行调试；

S2、在水体样品测试区(W)中注入样品水体，打开第一光开关(31)，关闭第二光开关(32)，测量第一传输光路最后被探测器(7)接收的光功率，记录此时探测的光功率P₀；

S3、打开第二光开关(32)，关闭第一光开关(31)，测量第二传输光路最后被探测器(7)接收的光功率，记录此时探测的光功率P₁；

S4、最后进行数据处理，水体的光学衰减系数值C＝(P₁-P₀)/L，其中L为第一全反射镜(51)与合束器(6)之间的传输光路距离。

8.如权利要求7所述的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置的测量方法，其特征在于：

步骤S1中，所述调试的步骤为：

打开激光器，在未注入样品水体的条件下，按照步骤S2和S3测量P₀和P₁，调试确保两个光路上的光功率相同。

9.如权利要求7所述的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置的测量方法，其特征在于：

在步骤S4之前，重复步骤S2、S3，获得P₀和P₁的多组数据，分别取平均值；以各自的平均值代入步骤S4。

10.一种如权利要求4所述的等臂对比式水体光学衰减系数测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在水体样品测试区(W)未注入样品水体之前，进行调试；

S2、在水体样品测试区(W)中注入样品水体，打开第一光开关(31)，关闭第二光开关(32)，测量第一传输光路最后被探测器(7)接收的光功率，记录此时探测的光功率P₀；

S3、打开第二光开关(32)，关闭第一光开关(31)，测量第二传输光路最后被探测器(7)接收的光功率，记录此时探测的光功率P₁；

S4、最后进行数据处理，水体的光学衰减系数值C＝(P₁-P₀)/L，其中L为第一全反射镜(51)与合束器(6)之间的传输光路距离，L＝(m+1)d，m为180°反向的次数，d为全反射阵列结构中一组全反射镜之间的间距。

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