CN114397253B - 一种基于自然光的水体吸收系数测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自然光的水体吸收系数测量装置,属于可见光光谱的测定及应用技术领域,包括:外壳,向下平面辐照度采集模块和向上平面辐照度采集模块;标量辐照度采集模块;光学电子快门;色散器件;光电探测器;压力传感器;数据处理和存储模块。其中,光学电子快门、色散器件、光电探测器、数据处理和存储模块分别设置在腔体中。本发明基于海中自然光场变化和辐射传输方程计算水体吸收系数,不需内置光源和外置真空泵,具有低功耗、免生物附着、成本低、重量轻、无需定期校准、易于海中长期观测等优点。
Description
技术领域
本发明属于水体测量技术领域,尤其涉及一种基于自然光的水体吸收系数测量装置。
背景技术
海水吸收系数是海洋光学中的一个最基本参数,在海洋光学、水下视觉和卫星水色遥感中都是广泛的应用。目前国际主流的水体吸收系数测量仪是美国SeaBird公司生产的吸收衰减测量仪(ACS)和德国TirOS公司生产的在线高光谱吸收仪(OSCAR),两者均配有内置光源为主动式吸收测量仪。其中,ACS采用反射管式吸收测量法,反射管为10或25cm全反射圆柱形腔体;OSCAR采用积分球式吸收测量法,积分球为半径为4cm涂有高反射涂层的球形腔体。现场测量时,ACS和OSCAR通常需要外置真空泵,一方面通过使腔内水体快速流动消除腔体内气泡(气泡对吸收测量影响非常大),另一方面使腔外水体尽快进入腔内从而测量不同深度剖面吸收系数。虽然ACS和OSCAR在现场船基大面站测量中被广泛应用,但两者均难以布放在浮标、潜标以及其他海上固定或移动平台(CN201811475281)进行长期观测。其主要原因为(1)功耗高,ACS和OSCAR均配有光源和真空泵需要消耗大量电源;(2)易生物附着,ACS和OSCAR具为封闭性内腔结构,在海中长期工作易被生物附着,且难以去除。
发明内容
针对现有技术中的上述不足,本发明提供的一种基于自然光的水体吸收系数测量装置,解决了现有技术功耗高的技术问题。
为了达到上述发明目的,本发明采用的技术方案为:
一种基于自然光的水体吸收系数测量装置,包括:
外壳,其内部形成有密闭的腔体;
平面辐照度采集模块两个,分别为向下平面辐照度采集模块和向上平面辐照度采集模块;
向下平面辐照度采集模块固定在所述外壳的顶部,且向下平面辐照度采集模块的光接收面朝向上方设置,用于接收向下的自然光通量;
向上平面辐照度采集模块固定在所述外壳的底部,且向上平面辐照度采集模块的光接收面朝向下方设置,用于接收向上的自然光通量;
标量辐照度采集模块,其固定在所述外壳的外表面,用于接收自然光球面通量;
光学电子快门,其分别与所述向下平面辐照度采集模块、向上平面辐照度采集模块以及标量辐照度采集模块通过光纤连接,用于选通所述向下平面辐照度采集模块、向上平面辐照度采集模块以及标量辐照度采集模块传输的自然光;
色散器件,其与所述光学电子快门连接,用于对输入的自然光进行分光;
光电探测器,其用于接收所述色散器件输出的分光信号,并进行光电转换;
压力传感器,其固定在所述外壳的外侧,用于检测压力;
数据处理模块,其接收所述光电探测器发送的电信号以及压力信号,分别计算出向下光谱平面辐照度、向上光谱平面辐照度、光谱标量辐照度以及深度值,并根据所述向下光谱平面辐照度、向上光谱平面辐照度、光谱标量辐照度以及深度值计算水体吸收系数;
存储模块,其用于存储数据;
所述光学电子快门、色散器件、光电探测器、数据处理模块以及存储模块分别设置在所述腔体中。
本发明的一些实施例中,所述平面辐照度采集模块包括:
余弦采集器,其用于接收采集平面180°范围的自然光;
凸透镜,其用于将从所述余弦采集器透射的自然光进行汇聚;
光阑,汇聚光透过所述光阑照射到第一光纤的端面上,所述第一光纤与所述光学电子快门连接。
本发明的一些实施例中,所述平面辐照度采集模块还包括:
第一清洁刷,其由所述外壳支撑,位于所述余弦采集器的一侧;
第一驱动机构,其与所述第一清洁刷连接,用于带动所述第一清洁刷动作清洁所述余弦采集器的外表面,以清除掉余弦采集器的外表面附着的海洋生物,避免影响光透过性,进而提高检测精度。
本发明的一些实施例中,所述标量辐照度采集模块包括两个半球面采集模块,所述半球面采集模块具有半球形的光接收面,所述半球面采集模块通过第二光纤与所述光学电子快门连接,其中一个半球面采集模块固定在所述外壳的顶部,另外一个半球面采集模块固定在所述外壳的底部。
本发明的一些实施例中,所述半球面采集模块包括:
特氟龙球,其支撑固定在所述外壳的外表面;
遮光罩,其为桶状结构,所述遮光罩与所述外壳固定,且套设在所述特氟龙球的外侧,所述遮光罩的高度与所述特氟龙球的球心高度一致。
本发明的一些实施例中,所述半球面采集模块还包括:
第二清洁刷,其由所述外壳支撑,位于所述特氟龙球的一侧;
第二驱动机构,其与所述第二清洁刷连接,用于带动所述第二清洁刷动作清洁所述特氟龙球的外表面。
本发明的一些实施例中,所述第二清洁刷为弧形刷,且开口朝向所述特氟龙球设置。
本发明的一些实施例中,所述数据处理模块计算水体吸收系数的方法为:
分别获取不同深度的向下光谱平面辐照度、向上光谱平面辐照度、标量辐照度;
计算水体吸收系数:
本发明的一些实施例中,所述色散器件为光栅;所述光电探测器包括光电二极管阵列。
本发明的有益效果为:
(1)本发明通过分别采集自然光平面通量以及自然光球面通量,分别计算出向下光谱平面辐照度、向上光谱平面辐照度、光谱标量辐照度,并结合水体吸收系数测量装置的深度可计算出水体吸收系数,解决了传统水体吸收系数测量仪需要外置真空泵以及光源导致功耗高的技术问题,本方案可大幅降低装置功耗。
(2)本发明采用光学电子快门技术,顺序选通向下平面辐照度采集模块、向上平面辐照度采集模块以及标量辐照度采集模块传输的自然光,由同一光电探测器进行测量,本发明通过该设计的光路选通技术,降低成本,减轻设备重量。
(3)本发明中光电探测器无需定期校准,易于维护,使该装置适合在海上长期观测。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示,本发明提供了一种基于自然光的水体吸收系数测量装置,包括外壳1、平面辐照度采集模块、标量辐照度采集模块、光学电子快门2、色散器件3、光电探测器4、压力传感器5、数据处理模块6,外壳1的内部形成有密闭的腔体8。
其中,平面辐照度采集模块两个,分别为向下平面辐照度采集模块9和向上平面辐照度采集模块10。
向下平面辐照度采集模块9固定在外壳1的顶部,且向下平面辐照度采集模块9的光接收面朝向上方设置,用于接收向下传输的自然光通量,并通过光纤传输到光学电子快门2。
向上平面辐照度采集模块10固定在外壳1的底部,且向上平面辐照度采集模块10的光接收面朝向下方设置,用于接收向上传输的自然光通量,并通过光纤传输到光学电子快门2。
标量辐照度采集模块固定在外壳1的外表面,用于接收自然光球面通量,并通过光纤传输到光学电子快门2。
光学电子快门2分别与向下平面辐照度采集模块9、向上平面辐照度采集模块10以及标量辐照度采集模块通过光纤连接,用于选通向下平面辐照度采集模块9、向上平面辐照度采集模块10以及标量辐照度采集模块传输的自然光。被选通的一路自然光信号能够通过光学电子快门2继续向后传输。
色散器件3与光学电子快门2连接,用于对输入的自然光进行分光,以便于分析不同频率的光信号。
光电探测器4用于接收色散器件3输出的分光信号,并进行光电转换,将光信号转换为电信号。
压力传感器5固定在外壳1的外侧,用于检测压力,也即,用于检测水压。
数据处理模块6分别与压力传感器5以及广电探测器4通信连接,用于接收光电探测器4发送的电信号以及压力传感器5发送的压力信号。
数据处理模块6分别计算出向下光谱平面辐照度、向上光谱平面辐照度、光谱标量辐照度,以及水深值,并根据上述结果计算水体吸收系数。解决了传统水体吸收系数测量仪需要外置真空泵以及光源导致功耗高的技术问题,本方案可大幅降低装置功耗,具有易于海中长期观测等优点。
向下光谱平面辐照度、向上光谱平面辐照度的计算方法可采用常规辐照度算法即可,在此不做赘述。根据选通光学电子快门2所选通的相应的自然光通量计算得到。
本方案基于海中自然光场变化,采用Gershun定律计算水体吸收系数。
本实施例的水体吸收系数测量装置还包括存储模块11,其用于采集和存储来自于光电探测器发送的数据。
光学电子快门2、色散器件3、光电探测器4、数据处理模块6以及存储模块11均为电子元件,其应当放置在干燥的环境以延长其使用寿命。本实施例中优选光学电子快门2、色散器件3、光电探测器4、数据处理模块6以及存储模块11分别设置在腔体8中。腔体8为密闭的腔,起到保护上述电子元器件的作用。
本发明的一些实施例中,平面辐照度采集模块包括余弦采集器、凸透镜以及光阑。其中,余弦采集器用于接收采集平面180°范围的自然光。凸透镜用于将从余弦采集器透射的自然光进行汇聚。汇聚光透过光阑照射到第一光纤的端面上,第一光纤与光学电子快门连接。
本实施例中的向下平面辐照度采集模块9和向上平面辐照度采集模块10的构造相同,本实施例中以向下平面辐照度采集模块9为例进行说明。
如图1所示,按照光路传输的方向,向下平面辐照度采集模块9包括余弦采集器91、凸透镜92以及光阑93。其中,余弦采集器91用于接收采集平面180°范围的自然光。凸透镜92用于将从余弦采集器91透射的自然光进行汇聚。汇聚光透过光阑照射到第一光纤12的端面上,第一光纤12与光学电子快门2连接。第一光纤12能够将汇聚到其端面上的向下平面辐照度采集模块9采集的自然光传输至光学电子快门2。
本发明的一些实施例中,向下平面辐照度采集模块9还可以包括第一清洁刷94和第一驱动机构(图中未示出)。第一清洁刷94由外壳1支撑,位于余弦采集器91的一侧,第一驱动机构与第一清洁刷94连接,用于带动第一清洁刷94动作,清洁余弦采集器的91外表面。
余弦采集器的91外表面为平面结构,因此,优选第一清洁刷94直刷结构,以便于余弦采集器的91外表面相匹配。
通过定时对余弦采集器的91表面清除生物附着,以提高检测精度。
标量辐照度采集模块为光谱辐射取样的光学元件,用于收集180°立体角内的辐射(光线),从而消除了其它取样装置中由于光线收集取样几何结构限制所导致的光学耦合问题。
本发明的一些实施例中,标量辐照度采集模块包括两个半球面采集模块,分别为上半球面采集模块13和下半球面采集模块14,半球面采集模块具有半球形的光接收面,上半球面采集模块13和下半球面采集模块14分别通过第二光纤15与光学电子快门2连接。
上半球面采集模块13固定在外壳1的顶部,用于对接收向下传输的自然光球面通量。下半球面采集模块14固定在外壳1的底部,用于对接收向上传输的自然光球面通量。
以上半球面采集模块13为例,其包括特氟龙球131和遮光罩132,特氟龙球131支撑固定在外壳1的外表面。
遮光罩132为桶状结构,遮光罩132与外壳1固定,且套设在特氟龙球131的外侧,遮光罩132的高度与特氟龙球131的球心高度一致。以实现仅有半球进行接收光线。
除了采用对圆球状的特氟龙球131遮挡住半边,仅留有半球进行采集光的方案之外,还可以直接采用半球状的特氟龙球131,如此就不需要进行对光线进行遮挡。
本发明的一些实施例中,上半球面采集模块13还包括第二清洁刷133和第二驱动机构(图中未示出),第二清洁刷133由外壳1支撑,且第二清洁刷133位于特氟龙球131的一侧。第二驱动机构与第二清洁刷133连接,用于带动第二清洁刷133动作,进而可清洁特氟龙球131的外表面。
本发明的一些实施例中,第二清洁刷133为弧形刷,且开口朝向特氟龙球131设置,因此能够全方位的对特氟龙球131进行清洁。通过定时对特氟龙球131表面清除生物附着,以提高检测精度。
下半球面采集模块14与上半球面采集模块13的结构相同,在此不做赘述。
本发明的一些实施例中,还包括光耦合器7,上半球面采集模块13和下半球面采集模块14分别与光耦合器7连接,光耦合器7与光学电子快门2连接。上半球面采集模块13和下半球面采集模块14的光纤由光纤连接器耦合在一起,然后输出到光学电子快门2。
本发明的一些实施例中,数据处理模块计算水体吸收系数的方法为:
分别获取不同深度的向下光谱平面辐照度、向上光谱平面辐照度、标量辐照度;
计算水体吸收系数:
本发明的一些实施例中,色散器件为光栅;光电探测器包括光电二极管阵列实现。
当没有升降功能的浮标或潜标时,该水体吸收系数测量装置可布放在两个不同深度的锚链上,进而可计算不同深度的向下光谱平面辐照度,向上光谱平面辐照度和光谱标量辐照度。
Claims (7)
1.一种基于自然光的水体吸收系数测量装置,其特征在于,包括:
外壳,其内部形成有密闭的腔体;
平面辐照度采集模块两个,分别为向下平面辐照度采集模块和向上平面辐照度采集模块;
所述向下平面辐照度采集模块固定在所述外壳的顶部,且向下平面辐照度采集模块的光接收面朝向上方设置,用于接收向下的自然光通量;
所述向上平面辐照度采集模块固定在所述外壳的底部,且向上平面辐照度采集模块的光接收面朝向下方设置,用于接收向上的自然光通量;
标量辐照度采集模块,其固定在所述外壳的外表面,用于接收自然光球面通量;
光学电子快门,其分别与所述向下平面辐照度采集模块、向上平面辐照度采集模块以及标量辐照度采集模块通过光纤连接,用于选通所述向下平面辐照度采集模块、向上平面辐照度采集模块以及标量辐照度采集模块传输的自然光;
色散器件,其与所述光学电子快门连接,用于对输入的自然光进行分光;
光电探测器,其用于接收所述色散器件输出的分光信号,并进行光电转换;
压力传感器,其固定在所述外壳的外侧,用于检测压力;
数据处理模块,其接收所述光电探测器发送的电信号以及压力传感器发送的压力信号,分别计算出向下光谱平面辐照度、向上光谱平面辐照度、光谱标量辐照度以及深度值,并根据所述向下光谱平面辐照度、向上光谱平面辐照度、光谱标量辐照度以及深度值计算水体吸收系数;
存储模块,其用于存储数据;
所述光学电子快门、色散器件、光电探测器、数据处理模块以及存储模块分别设置在所述腔体中;
所述标量辐照度采集模块包括两个半球面采集模块,所述半球面采集模块具有半球形的光接收面,所述半球面采集模块通过第二光纤与所述光学电子快门连接,其中一个半球面采集模块固定在所述外壳的顶部,另外一个半球面采集模块固定在所述外壳的底部;
所述半球面采集模块包括:
特氟龙球,其支撑固定在所述外壳的外表面;
遮光罩,其为桶状结构,所述遮光罩与所述外壳固定,且套设在所述特氟龙球的外侧,所述遮光罩的高度与所述特氟龙球的球心高度一致;
所述平面辐照度采集模块包括:
余弦采集器,其用于接收采集平面180°范围的自然光;
凸透镜,其用于将从所述余弦采集器透射的自然光进行汇聚;
光阑,汇聚光透过所述光阑照射到第一光纤的端面上,所述第一光纤与所述光学电子快门连接。
2.根据权利要求1所述的基于自然光的水体吸收系数测量装置,其特征在于,所述平面辐照度采集模块还包括:
第一清洁刷,其由所述外壳支撑,位于所述余弦采集器的一侧;
第一驱动机构,其与所述第一清洁刷连接,用于带动所述第一清洁刷动作清洁所述余弦采集器的外表面。
3.根据权利要求1所述的基于自然光的水体吸收系数测量装置,其特征在于,所述半球面采集模块还包括:
第二清洁刷,其由所述外壳支撑,位于所述特氟龙球的一侧;
第二驱动机构,其与所述第二清洁刷连接,用于带动所述第二清洁刷动作清洁所述特氟龙球的外表面。
4.根据权利要求3所述的基于自然光的水体吸收系数测量装置,其特征在于,
所述第二清洁刷为弧形刷,且开口朝向所述特氟龙球设置。
6.根据权利要求1所述的基于自然光的水体吸收系数测量装置,其特征在于,
光谱标量辐照度E0(λ,z)的计算方法为:
E0(λ,z)=E0u(λ,z)+E0d(λ,z);
其中,E0u(λ,z)为位于上方的半球面采集模块采集的光谱标量辐照度,E0d(λ,z)为位于下方的半球面采集模块采集的光谱标量辐照度。
7.根据权利要求1-4任一项所述的基于自然光的水体吸收系数测量装置,其特征在于,所述色散器件为光栅;所述光电探测器包括光电二极管阵列。
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