DE10062724B4 - Methods and devices for determining the inherent optical parameters scattering coefficient, forward scattering coefficient, backward scattering coefficient and absorption coefficient of a suspension - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Bestimmen des inhärenten optischen Parameters Rückstreukoeffizient einer Suspension, bei welchem
a) von einer ersten Strahlungsquelle (11) abgegebenes Licht auf ein Streuvolumen (31) im Brennpunktbereich eines Parabolspiegels (13) kollimiert und
b) von dem Streuvolumen (31) in den rückwärtigen Halbraum abgelenkt wird;
c) das abgelenkte Lichtbündel in ein paralleles Strahlenbündel umgeformt wird
d) das parallele Lichtbündel mittels einer verstellbaren Blendenanordnung (24, 25) auf Streuwinkel Ψ in einem Bereich von Ψmin bis annähernd 180° begrenzt wird, wobei Ψm
in durch den Durchmesser der Alendenanordnung festgelegt wird und minimal 90° beträgt und
e) auf einem Empfangselement (22) fokussiert und dort erfaßt wird, und
f) daraus durch Differenzieren des Meßsignals nach Ψmin die Phasenfunktion für Rückwärtsstreuung abgeleitet wird.Method for determining the inherent optical parameter backscatter coefficient of a suspension, in which
a) Collimated light emitted by a first radiation source (11) onto a scattering volume (31) in the focal point region of a parabolic mirror (13) and
b) is deflected from the scattering volume (31) into the rear half space;
c) the deflected light beam is transformed into a parallel beam
d) the parallel light beam is limited by means of an adjustable diaphragm arrangement (24, 25) to scattering angles Ψ in a range from Ψ min to approximately 180 °, wobei m in being determined by the diameter of the alend arrangement and being a minimum of 90 ° and
e) focused on a receiving element (22) and detected there, and
f) the phase function for backward scattering is derived therefrom by differentiating the measurement signal after Ψ min .
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zum Bestimmen der inhärenten optischen Parameter Streukoeffizient, Vorwärtsstreukoeffizient, Rückwärtsstreukoeffizient und Absorptionskoeffizient einer Suspension.The invention relates to methods and means for determining the inherent optical parameters Scattering coefficient, forward scattering coefficient, Backscatter coefficient and absorption coefficient of a suspension.
Die Größen Absorption, Streuung, Rückstreuung, Vorwärsstreuung und Attenuation sowie deren jeweilige Koeffizienten werden als inhärente optische Parameter einer Suspension bezeichnet. Als Materialkonstanten hängen sie nur von den physikalischen Eigenschaften einer Flüssigkeit und ihrer Inhaltsstoffe ab; sie sind in der Gewässeroptik wichtige Monitoring-Größen zur Beurteilung der Wasserqualität. Aus den spektralen Charakteristika der Absorption kann auf die Art der Inhaltsstoffe und ihre Konzentrationen geschlossen werden, aus dem Spektralverlauf der Attenuation auf ihre Korngrößenverteilung. Der Trübungsgrad spiegelt sich im Streukoeffizient wider. Der Rückstreukoeffizient wird vor allem für die biooptische Modellierung in der Gewässerfernerkundung benötigt.The sizes absorption, scatter, backscatter, Vorwärsstreuung and attenuation and their respective coefficients are considered inherent optical Parameters of a suspension. They hang as material constants only from the physical properties of a liquid and their ingredients; they are important monitoring parameters in water optics Assessment of water quality. From the spectral characteristics of the absorption, Art the ingredients and their concentrations are excluded the spectral course of attenuation on its grain size distribution. The degree of turbidity is reflected in the scattering coefficient. The backscatter coefficient is before everything for biooptical modeling in remote water sensing is required.
In
Hierbei ist mit dΦs(Ψ) der pro infinitesimaler Wegstrecke dr um einen Winkel Ψ in das Raumwinkelelement dΩ abgelenkte Anteil des einfallenden Strahlungsflusses Φi bezeichnet. Der Streukoeffizient b wird aus β(Ψ) durch Integration über alle Raumrichtungen gebildet: Here dΦ s (Ψ) denotes the portion of the incident radiation flux Φ i deflected per infinitesimal distance dr by an angle Ψ into the solid angle element dΩ. The scattering coefficient b is formed from β (Ψ) by integration across all spatial directions:
Um den Rückstreukoeffizienten bb zu erhalten, wird das Integral nicht über die gesamte Kugeloberfläche 4π ausgeführt, sondern nur über den rückwärtigen Halbraum (Ψ > 90°): In order to obtain the backscatter coefficient b b , the integral is not carried out over the entire spherical surface 4π, but only over the rear half space (Ψ> 90 °):
Als Absorption wird die Umwandlung von Licht in thermische Energie oder chemische Bindung bezeichnet. Der Absorptionskoeffizient a ist definiert als: wobei dΦa der pro Wegstrecke dr absorbierte Strahlungsfluß ist.Absorption is the conversion of light into thermal energy or chemical bonding. The absorption coefficient a is defined as: where dΦ a is the radiation flux absorbed per path dr.
Der Attenuationskoeffizient c eines
Lichtstrahls ergibt sich aus der Summe von Absorptions- und Streukoeffizient
a bzw. b:
Eine quantitativ genaue Erfassung des Rückstreukoeffizienten bb ist jedoch nur durch Messen der Phasenfunktion β(Ψ) über das Winkelintervall 90° < Ψ < 180° möglich. Hierzu wird die zu untersuchende Suspension mit einem Parallelstrahl beleuchtet. Bei herkömmlichen Instrumenten wird der Empfänger auf einem Kreisbogen um das Probenvolumen bewegt.A quantitatively accurate determination of the backscatter coefficient b b is only possible by measuring the phase function β (Ψ) over the angular interval 90 ° <Ψ <180 °. For this purpose, the suspension to be examined is illuminated with a parallel beam. With conventional instruments, the receiver is moved on a circular arc around the sample volume.
In
Aufgrund eines Scanmechanismus, bei dem der auf einem Arm befestigte Empfänger um das Streuvolumen gedreht wird, fallen die Geräteabmaße verhältnismäßig groß aus. Ferner ist das herkömmliche Meßverfahren empfindlich gegen eine Fehljustage der Sender- und Empfängerblickfelder relativ zueinander, was leicht durch Stöße und Erschütterungen beim Feldeinsatz hervorgerufen werden kann. Bislang wurden nur vereinzelte in situ Messungen der Phasenfunktion durchgeführt. Ein kommerzielles Meßgerät hierfür ist nicht erhältlich.Due to a scanning mechanism in which the receiver, which is attached to an arm, surrounds the Streuvo lumen is rotated, the device dimensions are relatively large. Furthermore, the conventional measuring method is sensitive to misalignment of the transmitter and receiver fields of view relative to one another, which can easily be caused by shocks and vibrations during use in the field. So far, only occasional in situ measurements of the phase function have been carried out. A commercial measuring device for this is not available.
Zur Vermeidung der komplizierter Gerätekonstruktion wird beispielsweise standardmäßig ein indirektes Meßverfahren angewendet, das auf einer näherungsweisen Proportionalität zwischen dem Rückstreukoeffizienten bb und der unter einem festen Streuwinkel gemessenen Phasenfunktion β(Ψ) beruht. Hierbei ergab sich die beste Korrelation für Ψ = 120°. Eine Regression ergab im Mittel: bb = 7,5 β(120°). Der Proportionalitätsfaktor variiert allerdings mit dem Gewässertyp und dessen Inhaltsstoffen.To avoid the complicated device design, an indirect measurement method is used as standard, for example, which is based on an approximate proportionality between the backscatter coefficient b b and the phase function β (Ψ) measured at a fixed scattering angle. The best correlation was found for Ψ = 120 °. A regression showed on average: b b = 7.5 β (120 °). However, the proportionality factor varies with the type of water and its ingredients.
Basierend auf dieser Meßvorschrift wurde eine kommerziell erhältliche Tauchsonde entwickelt. Um deren Bauweise zu vereinfachen, beträgt bei dieser Tauchsonde der Meßwinkel jedoch 140°, was vor allem in schwebstoffreichen Küsten- und Binnen gewässern zu einer fehlerhaften Bestimmung des Rückstreukoeffizienten bb führen kann. Die Größe der durch die indirekte Messung bei nicht optimalem Streuwinkel bedingten Abweichungen ist bislang nicht bekannt.A commercially available immersion probe was developed based on this measurement specification. In order to simplify their construction, the measuring angle of this submersible probe is 140 °, which can lead to an incorrect determination of the backscatter coefficient b b , especially in coastal and inland waters that are rich in suspended matter. The size of the deviations caused by the indirect measurement with a non-optimal scattering angle is not yet known.
Der Streukoeffizient b läßt sich,
analog zum Rückstreukoeffizienten
bb, am genauesten durch Messung der Phasenfunktion β(Ψ) und anschließender Integration
nach G1. (2) bestimmen. Die herkömmliche
Meßanordnung
entspricht der in
Indirekt kann der Streukoeffizient b durch Korrelation mit einem in Vorwärtsrichtung gemessenen Wert der Phasenfunktion β(Ψ) festgelegt werden, wobei ein Meßwinkel Ψ < 15° vorteilhaft ist. Die Genauigkeit ist stark von den optischen Eigenschaften der Suspension abhängig und daher nicht allzu hoch.The scattering coefficient can be indirect b by correlation with a value of the measured in the forward direction Phase function β (Ψ) fixed be advantageous, a measuring angle Ψ <15 ° is. The accuracy is strongly dependent on the optical properties of the Suspension dependent and therefore not too high.
Weiterhin kann der Streukoeffizient b durch Messung des Attenuationskoeffizienten c und des Absorptionskoeffizienten a ermittelt werden. Der Streukoeffizient b ergibt sich nach G1. (5) aus der Differenz (c – a). Ein auf diesem Prinzip basierendes in situ Meßgerät ist bekannt. Das Ergebnis ist allerdings mit den Fehlern der beiden Meßgrößen (c und a) behaftet. Vor allem die Absorption ist schwierig zu bestimmen und weist in der Regel eine relativ große Ungenauigkeit auf.Furthermore, the scattering coefficient b by measuring the attenuation coefficient c and the absorption coefficient a can be determined. The scattering coefficient b results from G1. (5) from the difference (c - a). On In-situ measuring device based on this principle is known. The result is, however, affected by the errors of the two measured variables (c and a). In front absorption is difficult to determine and shows in the Usually a relatively large one Inaccuracy.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine genaue, zuverlässige Bestimmung der inhärenten optischen Parameter Rückstreukoeffizient, Vorwärtsstreukoeffizient, Streukoeffizient und Absorptionskoeffizient einer Suspension durchführen und robuste, kompakte und für in situ Einsatz geeignete Einrichtungen zum Bestimmen dieser Koeffizienten anzugeben.The object of the invention is a accurate, reliable Determination of the inherent optical parameters backscatter coefficient, Forward scattering coefficient, Carry out scattering coefficient and absorption coefficient of a suspension and robust, compact and for Suitable devices in situ for determining these coefficients specify.
Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch Verfahren zum Bestimmen der inhärenten optischen Parameter Rückstreukoeffizient, Vorwärtsstreukoeffizient, Streukoeffizient und Absorptionskoeffizient einer Suspension mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 4, 5, 6, bzw. 9 erreicht.According to the invention, this object is by methods for determining the inherent optical parameters Backscatter coefficient, Forward scattering coefficient, Scattering coefficient and absorption coefficient of a suspension with the features of the claims 1, 4, 5, 6 or 9 reached.
Ferner sind gemäß der Erfindung eine Einrichtung und Weiterbildungen dieser Einrichtung zur Durchführung der Verfahren nach den vorstehend angeführten Ansprüchen angegeben.Furthermore, according to the invention are a device and further developments of this facility for carrying out the Method according to the above claims.
Mit den erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Einrichtung sowie deren Weiterbildungen zur Durchführung der Verfahren kann die ,Phasenfunktion β(Ψ) in einem Bereich von 90° bis annähernd 180° bestimmt werden. Da bei den erfindungsgemäßen Einrichtungen und deren Weiterbildungen die wesentlichen beweglichen Teile, wie beispielsweise eine Irisblende und ein dieser zugeordneter Antrieb innerhalb eines Gehäuses des Empfangsteils angeordnet sind, läßt sich auf diese Weise ein robustes in situ Instrument für Routinemessungen herstellen, das rauhen Feldeinsätzen standhält. Die Steuerung des Meßablaufs und die Datenerfassung erfolgen beispielsweise mittels eines internen Mikrokontrollers oder eines externen Computers. Die Kenntnis der Phasenfunktion in rückwärtiger Richtung erlaubt die Anwendung eines auf analytischem Wege ableitbaren Algorithmus für einen Zusammenhang zwischen der für die Fernerkundung verwendeten Größe Reflexion und den Materialeigenschaften Streuung und Absorption der Inhaltsstoffe.With the method according to the invention and the device according to the invention as well as their further training to carry out the procedures , Phase function β (Ψ) in one Range from 90 ° to nearly 180 ° determined become. Since in the facilities of the invention and their developments the essential moving parts, such as for example an iris diaphragm and a drive assigned to it inside a housing of the receiving part are arranged in this way robust in situ instrument for Establish routine measurements that can withstand rough field operations. The control of the measuring process and the data is recorded, for example, using an internal one Microcontroller or an external computer. Knowing the Phase function in the reverse direction allows the use of an algorithm that can be derived analytically for one Connection between the for the remote sensing used size reflection and the material properties scattering and absorption of the ingredients.
Durch eine Vereinfachung der Meßeinrichtung sowie deren Weiterbilungen in der Weise, daß abgesehen von einem gegebenenfalls benötigten kippbaren Umlenkspiegel keine beweglichen Teile benötigt werden, ist eine exakte Bestimmung der vorstehend im einzelnen angegebenen Koeffizienten ermöglicht.By simplifying the measuring device as well as their further training in such a way that apart from one if necessary required tiltable deflecting mirror no moving parts are required an exact determination of the coefficients specified above in detail allows.
Die erfindungsgemäße Einrichtung und deren Weiterbildungen zeichnen sich auch dadurch aus, daß die Wegstrecken, die das Licht im Meßmedium zurücklegt, sehr kurz gehalten sind. Somit wirkt die Attenuation der Suspension weniger auf das Meßsignal zurück als bei herkömmlichen Streulichtphotometern. Falls die Strahlungsdämpfung durch die Suspension nicht vernachlässigbar ist, kann die Attenuation mit einem Transmissometer bestimmt und bei der Datenauswertung berücksichtigt werden.The device according to the invention and its further developments are also characterized by the fact that the distances that the Light in the medium travels, are kept very short. Thus the attenuation of the suspension works less on the measurement signal back than conventional ones Scattered light photometers. If the radiation is attenuated by the suspension not negligible the attenuation can be determined with a transmissometer and taken into account in the data evaluation become.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:The invention is explained in detail below with reference to the attached drawings. It shows gene:
In
Mittels eines im Gehäuse
Die Sammellinse
Strahlung, die das Streuvolumen
Zur Abblockung von Falschlicht, das
auf den Detektor
Durch Anordnen sämtlicher abbildender optischer
Elemente auf der durch die Strahlungsquelle
Die Phasenfunktion β(Ψ) ergibt
sich durch Differenzieren des Meßsignals nach dem durch die
jeweilige Blendenstellung vorgegebenen, maximal detektierbaren Streuwinkel.
Der Rückstreukoeffizient
bb entspricht dem Meßsignal bei der Einstellung,
bei der die Irisblende
Zum einen ist dies durch Vergleich
der Meßsignale
mit einem herkömmlichen
Streulichtmeßgerät nach
Ist die Kalibrierfunktion für eine die
Phasenfunktion erfassende Meßeinrichtung
nach
Der Rückstreukoeffizient bb wird somit mit einer einzigen Messung erhalten.
Mittels des Parabolspiegels
Mit der Einrichtung nach
Wird der in
Eine Umkehr des Strahlenverlaufs
kann dadurch erreicht werden, daß die Strahlungsquelle beispielsweise
an die Stelle verlagert wird, an welcher der einfallende Strahl
aus dem Be reich zwischen den beiden Gehäusen
Durch eine Abänderung der Einrichtung zum Bestimmen des Rückstreukoeffizienten kann somit auch der Vorwärtsstreukoeffizient und/oder die Phasenfunktion in Vorwärtsrichtung bestimmt werden, ohne daß zusätzliche bewegliche Teile benötigt werden.By changing the facility to Determine the backscatter coefficient the forward scattering coefficient can also and / or the phase function is determined in the forward direction, without additional moving parts needed become.
Vorstehend sind Meßeinrichtungen
zur Bestimmung des Rückstreukoeffizienten
bb und Varianten zur Ermittlung der Vorwärtsstreuung
beschrieben. Aus deren Kombination lassen sich der Streukoeffizient
und dessen Phasenfunktion messen. Dies kann beispielsweise durch
zwei getrennte Geräte
für Vor-
und Rückwärtsstreuung
geschehen oder auch durch Integration von zwei Strahlungsquellen,
beispielsweise durch die Strahlungsquellen
Ein wesentlich einfacherer Aufbau
läßt sich
durch eine andersartige Erweiterung der in
Bei der vorstehend beschriebenen
Stellung des Ablenkspiegels
An den Intervallgrenzen kann die Phasenfunktion nicht erfaßt werden. Es gelten die gleichen Argumente wie beim herkömmlichen Meßverfahren. Allerdings ist der mechanische Aufbau der Meßeinrichtung im Vergleich dazu wiederum wesentlich kompakter und robuster. Die Kalibration des Instrumentes erfolgt analog zu derjenigen der Phasenfunktions-Meßeinrichtung für Rückstreuung.At the interval limits, the Phase function not recorded become. The same arguments apply as for the conventional one Measurement methods. However, the mechanical structure of the measuring device is compared to this again much more compact and robust. The calibration of the Instruments are analogous to those of the phase function measuring device for backscattering.
Soll nur der Streukoeffizient b und
nicht die Phasenfunktion β(Ψ) ermittelt
werden, können
die Irisblende
Hierdurch ergeben sich keine Schwierigkeiten.
Die Vorwärtsstreuung
dominiert die Rückwärtsstreuung;
somit kann die Blende
Die Messung der Absorption in trüben Medien ist beim Stand der Technik wenig zufriedenstellend gelöst. Das grundsätzliche Problem liegt darin, daß das Meßsignal durch Streuung im Absorptions- bzw. Meßvolumen beeinflußt wird. Das Streulicht kann in Absorptionsmeßgeräten kaum vollständig auf das Empfangselement abgebildet werden und täuscht einen erhöhten Absorptionskoeffizienten vor.Measurement of absorption in cloudy media is unsatisfactorily solved in the prior art. The fundamental The problem is that measuring signal is influenced by scattering in the absorption or measurement volume. The scattered light can hardly be completely absorbed in absorption measuring devices the receiving element are imaged and deceives an increased absorption coefficient in front.
Der Absorptionskoeffizient a kann
durch Messung des Attenuationskoeffizienten c und des Streukoeffizienten
b gemäß G1.(5)
ermittelt wird. Der Absorptionskoeffizient a ergibt sich gemäß G1.(5)
zu:
Auf diese Weise ist eine präzise Bestimmung der Absorption erreicht, da die bei herkömmlichen Meßverfahren störende Größe Streuung hierbei direkt erfaßt wird. Der Aufbau vereinfacht sich, wenn für beide Meßgrößen die gleiche Beleuchtungsquelle verwendet wird.This is a precise determination the absorption is achieved, since the size scattering, which is a disturbance in conventional measuring methods recorded directly here becomes. The structure is simplified if the same lighting source for both measured variables is used.
Die Detektion des Attenuationskoeffizienten c erfolgt mit einer Transmissionsmeßeinheit. Sie ermittelt die durch Absorption und Streuung bedingte Intensitätsabnahme eines parallelen Lichtstrahls beim Durchgang durch das Meßmedium. Der Akzeptanzwinkel der Empfängeroptik ist sehr klein zu wählen, damit kein gestreutes Licht auf den Empfänger trifft.Detection of attenuation coefficient c is carried out with a transmission measuring unit. It determines the decrease in intensity due to absorption and scattering of a parallel Light beam when passing through the medium. The acceptance angle the receiver optics is very small to choose so that no scattered light hits the receiver.
Als Meßeinrichtung zur Ermittlung des Streukoeffizienten bietet sich aufgrund ihrer robusten und kompakten Ausführung die vorstehend beschriebene Einrichtung an. Allerdings kann, ebenso wie bei herkömmlichen Geräten, keine unter sehr großem oder sehr kleinem Winkel gestreute Strahlung erfaßt werden. Während die Auswirkungen auf die Genauigkeit des Streukoeffizienten b durch den fehlenden Winkelbereich um 180°, wie vorstehend ausgeführt, gering sind, darf der Meßfehler durch den nicht detektierbaren Streuwinkelbereich in Vorwärtsrichtung nicht vernachlässigt werden, da hier die Phasenfunktion sehr große Werte annimmt.As a measuring device for determination of the scattering coefficient is due to its robust and compact execution the facility described above. However, as well like conventional ones Devices, none under very large or very small angle scattered radiation can be detected. While the Effects on the accuracy of the scattering coefficient b by the missing angular range around 180 °, as stated above, is small the measurement error due to the undetectable scattering angle range in the forward direction not neglected because the phase function takes on very large values.
Der von einem Streulichtphotometer,
beispielsweise nach
Die Kalibration des Streulichtempfängers kann, wiederum mit einer geeigneten Phasenfunktions-Meßeinrichtung oder einer fluoreszierenden Flüssigkeit durchgeführt werden. Das erhaltene Meßsignal ist zur Berichtigung des zu klein gemessenen Streukoeffizienten vom Transmissionswert zu subtrahieren.The calibration of the scattered light receiver can again with a suitable phase function measuring device or a fluorescent one liquid carried out become. The measurement signal obtained is to correct the scattering coefficient measured too small subtract from the transmission value.
Alternativ zur Erfassung des Streukoeffizienten mit dem vorstehend beschriebenen, vereinfachten Aufbau einer Meßeinrichtung zur Bestimmung des Streukoeffizienten und der Transmissionseinheit für das nur geringfügig abgelenkte Vorwärtsstreulicht kann auch die Phasenfunktion mit der beschriebenen Einrichtung zur Bestimmung der Phasenfunktion im Vorwärts- und Rückwärtsstreubereich ermittelt, auf den nicht detektierbaren Bereich extrapoliert und anschließend integriert werden.As an alternative to recording the scattering coefficient with the simplified structure of a measuring device described above to determine the scattering coefficient and the transmission unit for the only marginally distracted forward scattered light can also the phase function with the described device for Determination of the phase function in the forward and backward scattering range, extrapolated to the undetectable area and then integrated become.
- 11
- Sendeteilsending part
- 1010
- erstes Gehäusefirst casing
- 1111
- Strahlungsquelleradiation source
- 11'11 '
- Strahlungsquelleradiation source
- 1212
- Kollimatorcollimator
- 12'12 '
- Kollimatorcollimator
- 1313
- Parabolspiegelparade
- 22
- Empfangsteilreceive part
- 2020
- zweites Gehäusesecond casing
- 2121
- Sammellinseconverging lens
- 2222
- Empfangselement (Detektor)receiving element (Detector)
- 2323
- Ablenkspiegeldeflecting
- 2424
- Irisblendeiris
- 2525
-
Elektromotor
für
24 Electric motor for24 - 33
- Meßmedium (Suspension)measuring medium (Suspension)
- 3131
- Streuvolumenscattering volume
- 44
- Parallelstrahlenparallel beams
- ΨΨ
- Streuwinkelscattering angle
- β (Ψ)β (Ψ)
- Phasenfunktionphase function
- bb
- Streukoeffizientscattering coefficient
- bb b b
- RückstreukoeffizientBackscatter coefficient
- aa
- Absorptionskoeffizientabsorption coefficient
- cc
- Attenuationskoeffizientattenuation coefficient
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- 2000-12-15 DE DE2000162724 patent/DE10062724B4/en not_active Expired - Fee Related
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