本发明专利技术提供一种自然海水体散射函数现地测量装置及方法，包括海水采样单元、光散射单元、散射光采集与测量单元、数据采集与控制单元及数据处理单元。所述散射光采集与测量单元采用光纤阵列实现散射光的高角度分辨率同步采集，采用双制冷CCD分时曝光技术实现多角度、大动态散射光的同步测量。通过散射腔、进水及出水管道等特殊设计，既保证海水的有效采样，又可有效抑制杂散光的干扰。本发明专利技术可有效解决传统海水散射函数现地测量仪测量范围不足、角度分辨率不高的缺陷，通过进一步处理还可获得海水散射系数及相函数等信息，可为海水辐射传输模拟、海水透明度模型的建立提供更为精细化的数据资料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术应用于海洋光学探测领域，尤其涉及一种自然海水体散射函数现地测量装置及方法。
技术介绍
海水体散射函数，描述的是水体散射能量的空间分布特征，归一化的海水散射函数(相函数)是进行海水光辐射传输模拟的重要输入参数，因此海水的体散射函数的精确测定,可提高海水辐射传输模式的模拟精度；此外，海水体散射函数空间积分可获得水体体散射系数等其它信息，通过一定反演模型还可定量反演海水中各种颗粒物的浓度，同时，通过对海水体散射函数的测量还可以有助于建立更为精确的海水透明度模型，在海洋水色遥感方面具有重要的应用价值。但由于水体散射信号在0°～180°散射角范围内强度变化量级跨度较大且变化复杂，其中前向散射能量远远大于侧后向的散射能量，而侧后向散射能量又极其微弱，散射函数测量过程中涉及对大动态的信号采集与微弱信号的测量等问题，因此目前海水体散射函数的测量依然是一个难点。目前测量海水散射函数的仪器还非常少，我国相关测量仪器也主要依靠进口，目前国际上唯一商业化的海水体散射测量仪器是由HOBILabs公司生产的，它能同时在12个不同角度(10°-170°)测量，采样速率为每秒10个样品，目前HOBILabs已经将其用于各种不同水体测量。我国中科院南海所也进行了相关研究(专利公开号：CN101413888A)，设计了一款8角度的水体散射函数剖面仪，测量角度范围20°～160°，利用高灵敏度光电探测器与高精度A/D转换器相结合的办法探测微弱的散射信号，采用光源调制、接收端同步解调的办法解决了背景光的干扰。当然目前也存在仅测量后向散射系数的仪器，如WETLabs公司有ECO-BB，ECO-BB3，ECO-VSF，ECO-VSF3，ECO-BB-9等系列型号的后向散射测量仪及HOBILabs生产的HydroScat-6、HydroScat-4、HydroScat-2、DeepHydroScat-2系列。以上提到的这些仪器大多有两个共同的缺点：一是测量的角度个数不足，数据点的角度分辨率低，无法体现水体散射函数的复杂变化特征；二是测量范围不够宽，特别在前向及后向散射角附近，存在较大的测量盲区，而这些信息对于检测水溶胶微物理参数也是极为重要的。为解决上述问题，华中科技大学曾提出了一套设计方案(专利公开号：CN102519848B)，通过抛物反射面与CCD的巧妙组合实现了多角度散射光的同时测量，但不足之处在于单片CCD的动态范围不足，需要手动控制非线性衰减片来调节入射光强，防止测量单元饱和，无法完全自动化观测，同时实验条件也相对较高，不能满足实际海水体散射函数的野外剖面观测需求。综上所述，目前尚缺少大散射角范围的、高角度分辨率的野外海水体散射函数观测系统，当前设计的仪器无法满足海水体散射函数垂直剖面的精细化探测需求，因此为弥补上述缺陷，研制具有大测量范围、高角度分辨率、自动化的海水散射函数测量仪器，对于提高散射函数测量精度，提升海水辐射传输精度及完善海水透明度模型具有极为重要的意义。
技术实现思路
针对现有海水体散射函数测量技术存在的问题，本专利技术的目的是提供一种大范围、高散射角分辨率的自然海水体散射函数现地测量装置及方法，实现不同水深处的水体散射函数信息的准确获取，为海水辐射传输模拟、水体透明度模型的建立及海水颗粒物的监测提供更精确的数据资料。本专利技术的原理是通过密集的光纤阵列实现散射光大范围高角度分辨率的采集；基于光纤集束技术和双制冷CCD分时曝光技术实现大动态散射光的测量；进而基于多角度的散射光强测量数据反算海水体散射函数。为达成本专利技术一目的，本专利技术提供一种自然海水体散射函数现地测量装置的第一技术方案，其包括海水进样单元、光散射单元、散射光采集与测量单元、数据采集与控制单元和数据处理单元，其中所述海水进样单元包括进水和出水管道、和抽水泵，所述光散射单元包括散射腔、所发出的激光穿过散射腔的激光器、位于散射腔外侧且与激光器相对设置的直射光出射通道、及接收激光且与直射光出射通道相连通的光阱，而抽水泵将海水样本抽入散射腔内。在上述技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：所述散射光采集与测量单元包括光纤采集阵列和双制冷CCD测量单元。所述数据采集与控制单元包括CCD驱动电路及控制系统、和与上位机通信的光纤通信系统，其产生CCD控制时序、控制CCD曝光时间、采集测量数据、及进行与上位机的光纤通信；其中所述数据处理单元实现与数据采集与控制单元的通信，并做测量数据的后续处理，如散射函数及相函数的计算等。所述海水进样单元是通过抽水泵将海水样本抽入散射腔内；为防止外部杂散光进入散射腔影响测量结果，进出水管道内表面涂黑，进水管道形状设计为U形，出水管道形状为Z形，测量时出水管道口及进水管道口均指向海底。所述光阱与激光器正对设置，对直接透射激光进行吸收，而直射光出射管道具有狭长通道，用于限制反射光的张角，散射腔内表面涂有黑色吸收性涂料，用于抑制散射光反射。所述散射光采集与测量单元在圆环状平台上，以激光传播方向为对称轴，采用交叉布设方式密集布设光纤探头阵列，将光纤探头末端分为两部分，通过光纤集束技术合成两束，分别与双制冷CCD测量单元紧密耦合。所述双制冷CCD测量单元基于双制冷CCD分时曝光测量方案实现对大动态散射光的测量，其中一个CCD测量前向散射强信号，另一个CCD测量侧后向散射的弱信号，并分别对2个CCD曝光积分时间进行控制，使弱信号通过长时间积分累积放大，而强信号通过短时间积分防止CCD的饱和，其中采用CCD制冷技术降低CCD暗电流，提高测量灵敏度和信噪比，采用双CCD分散射角区间测量的方法可弥补单CCD测量动态范围不足的缺陷。其通过一根带有刻度的测量绳固定，并将其置于海水的不同深度。为达成本专利技术另一目的，本专利技术提供一种自然海水体散射函数现地测量方法的第二技术方案，其包括如下步骤：S1步骤：先提供一种自然海水体散射函数现地测量装置，其包括海水进样单元、光散射单元、散射光采集与测量单元、数据采集与控制单元和数据处理单元，其中所述海水进样单元包括进水和出水管道、和抽水泵，所述光散射单元包括散射腔、所发出的激光穿过散射腔的激光器、位于散射腔外侧且与激光器相对设置的直射光出射通道、及接收激光且与直射光出射通道相连通的光阱；S2步骤：开启仪器，检查仪器功能是否正常，并对仪器预热10min左右；S3步骤：用一根带有刻度的测量绳固定测量仪器，下端系一重物，缓慢将本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种自然海水体散射函数现地测量装置，其特征在于其包括海水进样单元、光散射单元、散射光采集与测量单元、数据采集与控制单元和数据处理单元，其中所述海水进样单元包括进水和出水管道、及抽水泵，所述光散射单元包括散射腔、所发出的激光穿过散射腔的激光器、位于散射腔外侧且与激光器相对设置的直射光出射通道、及接收激光且与直射光出射通道相连通的光阱，而抽水泵将海水样本抽入散射腔内。
【技术特征摘要】
1.一种自然海水体散射函数现地测量装置，其特征在于其包括海水进
样单元、光散射单元、散射光采集与测量单元、数据采集与控制单元和数据
处理单元，其中所述海水进样单元包括进水和出水管道、及抽水泵，所述光
散射单元包括散射腔、所发出的激光穿过散射腔的激光器、位于散射腔外侧
且与激光器相对设置的直射光出射通道、及接收激光且与直射光出射通道相
连通的光阱，而抽水泵将海水样本抽入散射腔内。
2.根据权利要求1所述的一种自然海水体散射函数现地测量装置，其
特征在于：所述散射光采集与测量单元包括光纤采集阵列和双制冷CCD测
量单元。
3.根据权利要求1所述的一种自然海水体散射函数现地测量装置，其
特征在于：所述数据采集与控制单元包括CCD驱动电路及控制系统、和与
上位机通信的光纤通信系统，其中所述数据采集与控制单元产生CCD控制
时序、控制CCD曝光时间、采集测量数据、及进行与上位机的光纤通信；
所述数据处理单元实现与数据采集与控制单元的通信，并做测量数据的后续
处理。
4.根据权利要求2所述的一种自然海水体散射函数现地测量装置，其
特征在于：所述海水进样单元的进出水管道内表面涂黑，且进水管道形状为
U形，出水管道形状为Z形，测量时出水管道和进水管道均指向海底。
5.根据权利要求3所述的一种自然海水体散射函数现地测量装置，其
特征在于：所述光阱与激光器正对设置，对直接透射激光进行吸收，而直射
光出射管道具有狭长通道，其中散射腔内表面涂有黑色吸收性涂料。
6.根据权利要求2或3或4或5所述的一种自然海水体散射函数现地
测量装置，其特征在于：所述散射光采集与测量单元在圆环状平台上，以激
光传播方向为对称轴，采用交叉布设方式密集布设光纤探头阵列，将光纤探
头末端分为两部分，通过光纤集束技术合成两束，分别与双制冷CCD测量
单元紧密耦合。
7.根据权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡帅，高太长，李浩，赵世军，翟东力，刘磊，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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