CN114397270A - 水体衰减系数测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了水体衰减系数测量系统，属于海洋光学测量领域，包括测量容器，具有中空的容腔；所述容腔中盛装有水介质；所述测量容器的左右两端分别设置有第一透光窗口和第二透光窗口；准直激光光源，用于射出激光光束；所述准直激光光源设置在所述测量容器的一端，使得激光光束从第一透光窗口中射入所述水介质中并从第二透光窗口射出；和光功率计，固定在所述测量容器的右端，所述光功率计用于测量从所述第二透光窗口射出的激光光束；发明提供的水体衰减系数测量系统，具有低成本、结构紧凑、重量轻、配置灵活、便于携带等特点，由于采用了可变水体长度的测量方法，可以达到较高的测量精度。
Description
技术领域
本发明属于海洋光学测量领域，具体为一种对于水体衰减系数进行测量的系统。
背景技术
水体衰减系数是水体的一项重要的固有光学参数，它用来衡量光线在水下的传输能力，也就是光线能量衰减与传输距离之间的度量，衰减系数越大，能量衰减越快。水体衰减系数等光学参数是海洋光学的重要研究内容，海洋光学研究海水的各种光学性质、光在海洋中的传播规律以及运用光学技术探测海洋。
水下光电成像技术在国民经济各领域乃至军用领域具有广阔的应用前景，但水体的光学性质如衰减系数、散射系数等参数严重制约了水下光电成像能力，成像距离近，成像质量差是水下光电成像面临的主要问题，了解和测量海水的各种光学参数，是寻求更好的水下光电成像方法、改善水下图像质量的基础工作，而测量水体衰减系数是其中一项重要的工作。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种对于水体衰减系数进行测量的系统，以方便快捷的现场测量江河湖海水体的衰减系数，用以评价水质状况以及对水下光电成像系统的性能进行定量评估。
本发明提出的方案具体如下：
水体衰减系数测量系统，包括
测量容器，具有中空的容腔；所述容腔中盛装有水介质；所述测量容器的左右两端分别设置有第一透光窗口和第二透光窗口；
准直激光光源，用于射出激光光束；所述准直激光光源设置在所述测量容器的一端，使得激光光束从第一透光窗口中射入所述水介质中并从第二透光窗口射出；和
光功率计，固定在所述测量容器的右端，所述光功率计用于测量从所述第二透光窗口射出的激光光束。
进一步的，所述测量容器为圆柱形筒状结构，所述测量容器的左端固定有左端盖，所述第一透光窗设置在所述左端盖内；所述测量容器的右端设置有右端盖，所述第二透光窗设置在所述右端盖内。
进一步的，所述右端盖内置在所述测量容器内且可沿着所述测量容器的轴向移动。
进一步的，所述光功率计固定在所述右端盖上并随着所述右端盖的运动而随动。
进一步的，所述测量容器的内壁做氧化发黑处理。
进一步的，所述测量容器上开设有与所述容腔相通的开口。
进一步的，还包括支撑座，所述支撑座用于支撑所述测量容器，使得所述测量容器的轴线与所述准直激光光源射出的光束共线。
采用本技术方案所达到的有益效果为：
本发明提供的水体衰减系数测量系统，具有低成本、结构紧凑、重量轻、配置灵活、便于携带等特点，由于采用了可变水体长度的测量方法，可以达到较高的测量精度。同时本系统采用了分块式设计，各部分(如测量容器、准直激光光源和光功率计)相对独立，在使用该测量时，可以根据现有条件自由地选择准直激光光源和光功率计，在测量精度要求不太高时，还可以放宽对各部分的要求，使用十分灵活。在外场进行水下光电成像试验时，可以方便地利用该测量系统测量现场水体的衰减系数，评价水质状况并对水下光电成像系统的性能进行定量评价。相对于昂贵的进口水体光学参数测量仪器，该测量装置可以在较低的成本下完成相应的测量任务。
附图说明
图1为本方案的测量系统的原理结构图。
图2为本方案的测量系统右端盖向左移动以改变传输距离L的原理图。
图3为测量容器与支撑座的配合安装图。
图4为测量容器的立体图。
其中：10测量容器、11左端盖、12右端盖、13开口、20准直激光光源、30光功率计、40支撑座。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本实施例提供了一种水体衰减系数测量系统，通过利用该测量系统可方便灵活的现场测量江河湖海水体的衰减系数，用以评价水质状况以及对水下光电成像系统的性能进行定量评估。
具体的，参见图1－图4，测量系统包括测量容器10、准直激光光源20和光功率计30。
其中测量容器10具有中空的容腔，在该容腔中盛装待测试的水介质；同时在测量容器10的左右两端分别设置有第一透光窗口和第二透光窗口；准直激光光源20用于射出激光光束；准直激光光源20设置在测量容器10的左端，使得激光光束从第一透光窗口中射入水介质中并从第二透光窗口射出；光功率计30固定在测量容器10的右端，光功率计30用于测量从第二透光窗口射出的激光光束。
利用光功率计30进行水介质衰减系数测量通过以下衰减公式完成；定义准直激光光源20发出激光光束的初始功率为P2，在水中传输距离L后功率变为P1，则水体衰减系数为C，根据水下衰减系数的定义：
为了实现对不同波长下水体衰减系数的测量，准直激光光源20为可更换光源；可选择波长在可见光波段内的任意激光器，或者选用具有较宽波长范围的可调谐激光器，对任一激光波长，利用上述方法测量两次出射激光功率，可解算出水体的衰减系数；当改变激光波长时，则可得到不同波长光线的水体衰减长度，进而可以绘制出可见光波段范围内水体衰减系数与波长之间的关系曲线。
需要注意的是：光功率计30的功率测量范围应覆盖准直激光光源20输出功率，且在可见光波段内均具有足够的响应度，以便对可见光波段范围内的任一波长对应的水体衰减系数进行测量。
在测量过程中，尽量在避光环境中进行操作，例如可以在暗室进行，或者在暗箱中，倘若不具备这些条件，至少应该将光功率计30所在位置进行遮挡，将环境光消除到可控的范围内。
本方案中，提供的测量容器10为圆柱形筒状结构，在测量容器10的左端固定有左端盖11，第一透光窗设置在左端盖11内；测量容器10的右端设置有右端盖12，第二透光窗设置在右端盖12内。
需要注意的是，这里的第一透光窗和第二透光窗均为光学窗口。
为了测量激光在同一水介质中，传输不同的距离L后功率的变化，右端盖12内置在测量容器10内且可沿着测量容器10的轴向移动。
可以理解为，右端盖12在测量容器10内进行轴向移动，使得左端盖11与右端盖12之间的距离变化，使得激光束穿过的水介质长度L同样产生变化，能准确地测量出准直激光在水中传输L之后的功率变化比。
可选的，光功率计30固定在右端盖12上并随着右端盖12的运动而随动；以进一步保证测量的精度。
可选的，对测量容器10的内壁做氧化发黑处理，尽量减小激光反射，使准直激光被散射掉的部分完全被吸收，消除散射光对激光功率测量的影响。
本方案中，在测量容器10上开设有与容腔相通的开口13，这里的开口13用于注入待测水介质，以及测量过程中右端盖向左移动时排出多余的水体。
下面以具体的实施例对测量的步骤做详细的说明：
准直激光光源20选用波长为532nm且功率的连续绿光激光器，激光发散角小于1mrad，激光出射直径为6mm以内，出射激光束水平地射入测量容器10的左端面光学窗口内。测量容器10为一圆柱形容器，直径为100mm，长度为1m，两端盖上各有一个透光玻璃窗口，其中左端盖11固定不动，右端盖12可以沿轴向滑动。左端盖11中心的光学窗口直径为10mm，右端盖12中心的光学窗口直径为10mm。右端盖12设计为可以沿测量容器10轴线平行移动，且与测量容器10内壁之间利用O形圈进行密封，以防漏水。测量容器10的内部氧化发黑，其反射率控制在0.03以下。
光功率计30选用热释电型探头，波长响应范围为200nm～20um，功率测量范围为0.1mW～2W，分辨率为0.1mW，探头的有效感光直径为10mm，在测量过程中，探头感光面朝向右端盖12的光学窗口，并固定在右端盖12上随动。
激光光束从左端盖11的光学窗口沿轴线平行射入，精确调整激光方向，使其中心线从右端盖12的光学窗口中心射出，光功率计30测量激光出射功率。初始状态下，右端盖12处于最右位置，从上方开口13处将容腔注满待测水体，用光功率计30测量出激光功率为P1，然后将右端盖12往左移动距离0.5m，再次测量激光功率为P2，则水体衰减系数c可根据公式求出。右端盖左移过程中，多余的水经上方开口处排出。
本方案中，为了进一步的提高测量容器10在测量操作过程的稳定，还包括支撑座40，支撑座40用于支撑测量容器10，同时尽量使得测量容器10的轴线与准直激光光源20射出的光束共线。
可选的，在支撑座40上设置有向上弧形开口的凹槽，支撑座40通过该凹槽稳定承载圆柱形结构的测量容器10。
对于本技术方案提供的水体衰减系数测量系统，由于采用了可变水体长度的测量方法，可以达到较高的测量精度。同时本系统采用了分块式设计，各部分(如测量容器、准直激光光源和光功率计)相对独立，在使用该测量时，可以根据现有条件自由地选择准直激光光源和光功率计，在测量精度要求不太高时，还可以放宽对各部分的要求，使用十分灵活。在外场进行水下光电成像试验时，可以方便地利用该测量系统测量现场水体的衰减系数，评价水质状况并对水下光电成像系统的性能进行定量评价。总而言之，具有低成本、结构紧凑、重量轻、配置灵活、便于携带等特点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.水体衰减系数测量系统，其特征在于，包括
测量容器(10)，具有中空的容腔；所述容腔中盛装有水介质；所述测量容器(10)的左右两端分别设置有第一透光窗口和第二透光窗口；
准直激光光源(20)，用于射出激光光束；所述准直激光光源(20)设置在所述测量容器(10)的一端，使得激光光束从第一透光窗口中射入所述水介质中并从第二透光窗口射出；和
光功率计(30)，固定在所述测量容器(10)的右端，所述光功率计(30)用于测量从所述第二透光窗口射出的激光光束。
2.根据权利要求1所述的水体衰减系数测量系统，其特征在于，所述测量容器(10)为圆柱形筒状结构，所述测量容器(10)的左端固定有左端盖(11)，所述第一透光窗设置在所述左端盖(11)内；所述测量容器(10)的右端设置有右端盖(12)，所述第二透光窗设置在所述右端盖(12)内。
3.根据权利要求2所述的水体衰减系数测量系统，其特征在于，所述右端盖(12)内置在所述测量容器(10)内且可沿着所述测量容器(10)的轴向移动。
4.根据权利要求3所述的水体衰减系数测量系统，其特征在于，所述光功率计(30)固定在所述右端盖(12)上并随着所述右端盖(12)的运动而随动。
5.根据权利要求3或4所述的水体衰减系数测量系统，其特征在于，所述测量容器(10)的内壁做氧化发黑处理。
6.根据权利要求5所述的水体衰减系数测量系统，其特征在于，所述测量容器(10)上开设有与所述容腔相通的开口(13)。
7.根据权利要求1所述的水体衰减系数测量系统，其特征在于，还包括支撑座(40)，所述支撑座(40)用于支撑所述测量容器(10)，使得所述测量容器(10)的轴线与所述准直激光光源(20)射出的光束共线。
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