CN217277829U

CN217277829U - 一种可见光全光谱水体衰减系数测量装置

Info

Publication number: CN217277829U
Application number: CN202220048458.4U
Authority: CN
Inventors: 贺锋涛; 赵亚波; 张建磊; 杨祎; 蔡旻辉; 靳晨卓
Original assignee: Xian University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Xian University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2022-01-10
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2032-01-10

Abstract

本公开实施例是关于一种可见光全光谱水体衰减系数测量装置。该装置包括：光源发射单元，包括光源发射筒、光源模块及第一光学元件；光谱接收单元，包括光谱接收筒、第二光学元件、第三光学元件及信号采集机构；其中，所述光源发射单元与所述光谱接收单元固定在光路通道板上，以使所述光源发射单元产生的所述光信号能够垂直射入到所述光谱接收单元中；处理器，与所述信号采集机构电性连接，用于分析所述信号采集机构采集的数据。本公开实施例一方面通过第一光学元件、第二光学元件及第三光学元件相配合提高该装置的精确度；另一方面该装置操作简单，测量速度快，测量范围广泛。

Description

一种可见光全光谱水体衰减系数测量装置

技术领域

本公开实施例涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种可见光全光谱水体衰减系数测量装置。

背景技术

海洋开发需要大范围、精确的海洋环无线光通信、海洋遥感、海洋环境科学测量、水下光学探测等关键技术的支撑。由于光载波具有频率高、方向性好以及抗干扰能力强的优点，因此水下无线光通信技术的发展对海洋的开发以及相关关键技术的发展提供巨大帮助，但受限于水体环境的多样性，光信号在水下传输时会受到水体吸收和散射的作用，二者综合表征为水体对光的衰减作用，水体对光信号的衰减是水体的固有光学性质之一，它不依赖于水体光场的几何结构，只与水体中的物质成分有关。目前，学术界通用的不同环境下衡量水下光通信距离的性能参数是采用光学衰减系数及其倍数来描述，然而由于水体对光的吸收和散射是很复杂的物理过程且受测量环境的影响比较明显，准确快速测量水体的衰减系数成为了一道急需攻克的难题。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本公开实施例的目的在于提供一种可见光全光谱水体衰减系数测量装置，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本公开实施例，提供一种可见光全光谱水体衰减系数测量装置，包括：

光源发射单元，包括光源发射筒、光源模块及第一光学元件，所述光源模块及所述第一光学元件设置在所述光源发射筒内，所述光源模块产生的光信号通过所述第一光学元件后准直的从所述光源发射筒射出；

光谱接收单元，包括光谱接收筒、第二光学元件、第三光学元件及信号采集机构，所述第二光学元件、所述第三光学元件及所述信号采集机构设置在所述光谱接收筒内，所述光信号射入到所述光谱接收筒后，通过所述第二光学元件后进行云光，再通过所述第三光学元件后准直的射到所述信号采集机构上；

其中，所述光源发射单元与所述光谱接收单元固定在光路通道板上，以使所述光源发射单元产生的所述光信号能够垂直射入到所述光谱接收单元中；

处理器，与所述信号采集机构电性连接，用于分析所述信号采集机构采集的数据。

本公开的一实施例中，所述第一光学元件包括：

第一准直透镜及设圆形开口的钢片；

所述光信号通过所述第一准直透镜后，准直的射出，再通过所述圆形开口的钢片使所述光信号平行准直射出。

本公开的一实施例中，所述第二光学元件为毛玻璃扩散片，所述光信号通过毛玻璃进行云光作用。

本公开的一实施例中，所述第三光学元件为第二准直透镜，以使所述光信号能够准直的射到所述信号采集机构上。

本公开的一实施例中，所述光源模块包含散热片及恒流驱动器。

本公开的一实施例中，所述光源发射筒一端设有第一石英玻璃片，所述光信号通过所述第一石英玻璃片从所述光源发射单元射出；所述光谱接收筒一端设有第二石英玻璃片，所述光信号通过所述第二石英玻璃片射入到所述光谱接收单元。

本公开的一实施例中，所述光路通道板为可调节光路通道板，能够改变光程，用于提高该装置的应用范围。

本公开的一实施例中，所述光源发射筒和所述光谱接收筒均为铝合金密封深度防水仓，用于增进防水性能和测量深度。

本公开的一实施例中，所述光源为可见光全光谱LED光源，能够提供全光谱可见光。

本公开的一实施例中，所述信号采集机构包括光谱仪，测量的光信号波长范围为345nm-1040nm，测量波长精度为0.20nm-0.21nm。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开的实施例中，通过上述可见光全光谱水体衰减系数测量装置，一方面通过第一光学元件、第二光学元件及第三光学元件相配合提高该装置的精确度；另一方面该装置操作简单，测量速度快，测量范围广泛。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本公开示例性实施例中可见光全光谱水体衰减系数测量装置示意图；

图2示出本公开示例性实施例中光源发射单元示意图；

图3示出本公开示例性实施例中光谱接收单元示意图。

图中：100、光源发射单元；110、光源发射筒；120、光源模块；130、第一光学元件；131、第一准直透镜；132、钢片；140、第一石英玻璃片；200、光谱接收单元；210、光谱接收筒；220、第二光学元件；230、第三光学元件；240、信号采集机构；250、第二石英玻璃片；300、光路通道板；400、处理器。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中首先提供了一种可见光全光谱水体衰减系数测量装置。参考图1中所示，该可见光全光谱水体衰减系数测量装置可以包括：

光源发射单元100，包括光源发射筒110、光源模块120、第一光学元件130，所述光源模块120、第一光学元件130设置在所述光源发射筒110内，所述光源模块120产生的光信号通过第一光学元件130后准直的从所述光源发射筒110射出；光谱接收单元200，包括光谱接收筒210、第二光学元件220、第三光学元件230、信号采集机构240，所述第二光学元件220、所述第三光学元件230及所述信号采集机构240设置在所述光谱接收筒210内，所述光信号射入到所述光谱接收筒210后，先通过所述第二光学元件220进行云光，使测量结果更为可靠，再通过第三光学元件230后准直射到所述信号采集机构240上；其中，所述光源发射单元100与所述光谱接收单元200固定在光路通道板300上，以使所述光源发射单元100产生的所述光信号能够垂直射入到所述光谱接收单元200中；处理器400，与所述信号采集机构240电性连接，用于分析所述信号采集机构240采集的数据。

通过上述可见光全光谱水体衰减系数测量装置，光源模块120产生的光信号通过第一光学元件130进行准直校正后，平行准直的从光源发射单元100射出，光信号射入光谱接收单元200后，光信号经第二光学元件220后再通过第三光学元件230校准射到信号采集机构240上进行数据采集，处理器400通过采集到的数据进行分析得到水体衰减系数，该装置操作简单，测量速度快，测量范围广泛。

下面，将参考图1至图3对本示例实施方式中的上述可见光全光谱水体衰减系数测量装置的各个部分进行更详细的说明。

可选的，在一个实施例中，所述第一光学元件130包括：第一准直透镜131及设圆形开口的钢片132；所述光信号通过所述第一准直透镜131后，准直的射出，再通过所述圆形开口的钢片132使所述光信号平行准直射出。

具体的，第一准直透镜131能将来自光源模块120中每一点的光线变成一束平行的准直光柱，可以保证光信号准直平的射出，圆形开口的钢片132能够保证光信号能够平行准直射出，因此，光信号通过第一准直透镜131校准后，准直的通过圆形开口的钢片132，光信号再从圆形开口的钢片132平行准直射出。

可选的，在一个实施例中，所述第二光学元件220为毛玻璃扩散片，所述光信号通过毛玻璃进行云光作用。

具体的，毛玻璃表面不平整，光线通过毛玻璃被反射后向四面八方射出去，因为毛玻璃表面不是光滑的平面，使光产生了云光，因此输出所得到的光线为相当均匀的漫射光束(即云光作用)，这样可使得测量结果更为可靠，可降低并除去因光线形状、发散角度、及检测器不同位置之响应度差异所造成的测量误差。

可选的，在一个实施例中，所述第三光学元件230为第二准直透镜，以使所述光信号能够准直的射到所述信号采集机构240上。具体的，第二准直透镜能将来自光源模块120中每一点的光线变成一束平行的准直光柱，可以保证光信号准直平的射在信号采集机构240上

可选的，在一个实施例中，所述光源模块120包含散热片及恒流驱动器。具体的，光源模块120中的灯珠长时间工作会产生大量热量，会严重影响到光源模块120的使用寿命，散热片能把光源模块120中的灯珠所产生的热量快速的散发到空气中，以免光源模块120的温度过高而影响使用寿命。恒流驱动器可使电流波动低至0.01％，保证光源稳定持久输出。

可选的，在一个实施例中，所述光源发射筒110一端设有第一石英玻璃片140，所述光信号通过所述第一石英玻璃片140从所述光源发射单元100射出。所述光谱接收筒210一端设有第二石英玻璃片250，所述光信号通过所述第二石英玻璃片250射入到所述光谱接收单元200。

具体的，在光源发射筒110一端安装第一石英玻璃片140，不仅能保证光信号能通过所述第一石英玻璃片140从所述光源发射单元100射出，而且用于封装光源发射筒110。在光谱接收筒210一端安装第二石英玻璃片250，不仅能保证光信号能通过所述第二石英玻璃片250射入到所述光谱接收单元200中，而且用于封装光谱接收筒210。

可选的，在一个实施例中，所述光路通道板300为可调节光路通道板，能够改变光程，用于提高该装置的应用范围。具体的，在实际应用中，在不同的环境下，需要测量不同光程下的数据时，可以通过调节光路通道板300，从而改变光程，达到测量所要的要求，能够大大提高该装置的应用范围。

可选的，在一个实施例中，所述光源发射筒110和所述光谱接收筒210均为铝合金密封深度防水仓，用于增进防水性能和测量深度。具体的，使用铝合金密封深度防水仓作为所述光源发射筒110和所述光谱接收筒210，能够测量的深度可达300米，且能够保证仪器的密封性，抗压性。

可选的，在一个实施例中，所述光源模块120为可见光全光谱LED光源，能够提供全光谱可见光。具体的，光源模块120选用可见光全光谱LED光源，能够产生全光谱可见光，以保证该装置的测量范围。

可选的，在一个实施例中，所述信号采集机构240包括光谱仪，测量的光信号波长范围为345nm-1040nm，测量波长精度可达到0.20nm-0.21nm。具体的，光谱仪测量范围可从345nm-1040nm，完全可以测量可见光波段，可根据实际需求更改入射狭缝来实现所需精度；同时，光谱仪可以用来采集光源波形，快速显示波形，传输给外部处理器400中进行数据的快速处理。

可选的，在一个实施例中，上述可见光全光谱水体衰减系数测量装置基于朗伯-比尔定律。具体的，水体对光信号的衰减作用可以通过式Beer定理得出I＝I₀e^-cl，I表示传输距离为l后的光强，I₀表示初始光强，l表示光信号在水中传输的距离，c表示水体的衰减系数。故本次设计的衰减系数的数学模型为C＝10log(I₀/I)，单位是dB。但是光通过石英玻璃进入水时由于玻璃和水的折射率不同，会导致的光透过率不同。此外光在经过介质后还会发生反射，会影响水体衰减系数的测量精度。因此需对两次界面进行纠正。由于石英玻璃、空气、水的折射率会随着光波长的变化而变化，因此需把二者之间的联系考虑进去。石英玻璃折射率和光波长的概念公式如下：

其中，n是折射率，x是波长，单位为μm。

水的折射率和光波长的公式如下：

n＝1.31279+15.762/(10³x)-4382/(10⁵x²)+1145500/(10⁸x³) (2)

其中，n是折射率，x是波长，单位为μm。

光束正入射通过折射率n₁的介质到达折射率n₂的介质反射率为式：

R＝(n₂-n₁)²/(n₂+n₁)² (3)

其中，R表示光的反射率。

光的透射率如式：

T＝1-R (4)

其中，T表示光波的透射率，R表示光的反射率。

光束从折射率为n₁的介质经过折射率为n₂的介质时的衰减为公式：

r＝-10log₁₀(1-R) (5)

光波从入射端经过第一石英玻璃片140到达水体界面，经过水体信道后再次经过第二石英玻璃片250到达接收端，因此存在两次界面纠正过程。基于上述光学衰减与界面纠正数学函数模型得到光束传播的总衰减系数为式：

其中，D表示总的衰减系数，单位是dB，r_空气和r_水分别为两次界面纠正的衰减系数，单位是dB。

通过上述可见光全光谱水体衰减系数测量装置，一方面通过第一光学元件130、第二光学元件220、第三光学元件230相配合提高该装置的精确度；另一方面该装置操作简单，测量速度快，测量范围广泛。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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公开实施例和简化描述，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公开实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本公开中的具体含义。

在本公开实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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公开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必须针对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。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims

1.一种可见光全光谱水体衰减系数测量装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述可见光全光谱水体衰减系数测量装置，其特征在于，所述第一光学元件包括：

第一准直透镜及设圆形开口的钢片；

3.根据权利要求1所述可见光全光谱水体衰减系数测量装置，其特征在于，所述第二光学元件为毛玻璃扩散片，所述光信号通过毛玻璃进行云光作用。

4.根据权利要求1所述可见光全光谱水体衰减系数测量装置，其特征在于，所述第三光学元件为第二准直透镜，以使所述光信号能够准直的射到所述信号采集机构上。

5.根据权利要求1所述可见光全光谱水体衰减系数测量装置，其特征在于，所述光源模块包含散热片及恒流驱动器。

6.根据权利要求1所述可见光全光谱水体衰减系数测量装置，其特征在于，所述光源发射筒一端设有第一石英玻璃片，所述光信号通过所述第一石英玻璃片从所述光源发射单元射出；所述光谱接收筒一端设有第二石英玻璃片，所述光信号通过所述第二石英玻璃片射入到所述光谱接收单元。

7.根据权利要求1所述可见光全光谱水体衰减系数测量装置，其特征在于，所述光路通道板为可调节光路通道板，能够改变光程，用于提高该装置的应用范围。

8.根据权利要求1所述可见光全光谱水体衰减系数测量装置，其特征在于，所述光源发射筒和所述光谱接收筒均为铝合金密封深度防水仓，用于增进防水性能和测量深度。

9.根据权利要求1所述可见光全光谱水体衰减系数测量装置，其特征在于，所述光源为可见光全光谱LED光源，能够提供全光谱可见光。

10.根据权利要求1所述可见光全光谱水体衰减系数测量装置，其特征在于，所述信号采集机构包括光谱仪，测量的光信号波长范围为345nm-1040nm，测量波长精度为0.20nm-0.21nm。