一种基于滤光片阵列的海水固有光学特性测量系统及方法技术方案

本发明专利技术属于海洋环境监测技术领域，具体涉及一种海水固有光学特性测量系统及方法。一种基于滤光片阵列的海水固有光学特性测量系统，包括出光单元、样品测量单元和探测单元；所述出光单元设置于所述样品测量单元的一端，用于向所述样品测量单元提供入射光源；所述探测单元设置于所述样品测量单元的另一端，用于探测所述样品测量单元输出的光信号；所述的样品测量单元包括两个测量管，其中一个测量管用于测量海水的衰减特性，另一个测量管用于测量海水的吸收特性。本发明专利技术提供的基于滤光片阵列的海水固有光学特性测量系统，系统结构简单，操作方便，不需要引入其他特殊光源和光谱探测仪器，显著降低了整个系统的复杂度和器件成本。显著降低了整个系统的复杂度和器件成本。显著降低了整个系统的复杂度和器件成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于滤光片阵列的海水固有光学特性测量系统及方法


[0001]本专利技术属于海洋环境监测
，具体涉及一种海水固有光学特性测量系统及方法。

技术介绍

[0002]海水透明度是描述海水光学特性的一个重要参量，能反应海水对光的衰减程度。在可见光波段，蓝光在纯水中的穿透性最强，而红光最弱。然而海水中的有色可溶性有机物和悬浮粒子等也会对光产生吸收和散射，造成光在海水中的衰减情况差异很大。在实际应用中，需要对海水透明度信息进行实时测量，该参量为水下光学成像系统性能评估、水下成像质量影响因素分析等提供重要的依据。
[0003]海水固有光学特性的测量通常采用内置光源，光源发出的光经装有被测海水样品的测量管后，由光电检测器件收集。由于光在海水中传输时存在衰减，考虑测量管长度较短时，忽略多次散射的影响，光在海水中的传输特性符合朗伯定律，即，
[0004]I(λ)＝I0(λ)e
‑
c(λ)ι
[0005]其中，I0(λ)为测量管输入端光源的光强度，I(λ)为测量管输出端的光强度，l为测量管的长度，c(λ)为被测海水的衰减系数，进一步将上式改写，
[0006][0007]且海水衰减系数c(λ)与吸收系数a(λ)和散射系数b(λ)之间存在如下关系，
[0008]c(λ)＝a(λ)+b(λ)
[0009]通过对测量管壁进行特殊处理，尽可能使得b(λ)＝0，则a(λ)可近似为
[0010][0011]根据上述测量原理，可以设计测量仪器对海水的衰减系数和吸收系数进行测定，进而得到海水透明度参量的定量描述。
[0012]一般来说，若需要测量多个波长下的水体特性参数，一种方案是引入可调波长的组合光源或激光器等特殊光源，另一方案是利用微型光谱仪进行探测来实现。目前，这两种方法存在的缺陷是系统复杂、器件成本高昂。

技术实现思路

[0013]基于现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于滤光片阵列的海水固有光学特性测量系统及方法，不需要引入特殊光源和光谱探测仪器，降低了整个系统的复杂度和器件成本。
[0014]本专利技术采用的技术方案是：一种基于滤光片阵列的海水固有光学特性测量系统，包括出光单元、样品测量单元和探测单元；所述出光单元设置于所述样品测量单元的一端，用于向所述样品测量单元提供入射光源；所述探测单元设置于所述样品测量单元的另一
端，用于探测所述样品测量单元输出的光信号；所述的样品测量单元包括两个测量管，其中一个测量管用于测量海水的衰减特性，另一个测量管用于测量海水的吸收特性。
[0015]进一步地，所述的出光单元包括宽光谱光源，所述宽光谱光源连接两个扩束准直镜，所述扩束准直镜的输出光束从所述测量管的端面进入其内部。
[0016]进一步地，所述探测单元包括与每个测量管对应的一个滤光片阵列和一个面阵探测器；所述滤光片阵列与面阵探测器紧贴平行放置。
[0017]进一步地，所述的滤光片阵列为M
×
N滤光片阵列，每一个滤光片对应不同的中心波长；M
×
N个中心波长在宽光谱光源发射光的波长范围内选取。
[0018]进一步地，所述的出光单元还包括紫外光源，所述紫外光源与所述宽光谱光源通过2
×
2光纤耦合器进行耦合和分束；所述紫外光源的发射光波长范围为260nm～280nm。
[0019]进一步地，测量海水吸收特性的测量管，其侧面外壁镀有金属内反射膜。
[0020]进一步地，测量海水衰减特性的测量管，其侧面内壁涂有全吸收涂层。
[0021]进一步地，所述测量管的两端分别设有入水口和出水口。
[0022]本专利技术还提供一种基于滤光片阵列的海水固有光学特性测量方法，该方法包括以下步骤：
[0023]第一步，测量没有水体吸收或衰减时，宽光谱光源发射光通过滤光片阵列上各个波长通道在面阵探测器上的初始光强响应值I0(λi)；
[0024]第二步，向两个测量管内注满相同的水体样品，再次测量宽光谱光源发射光经水体吸收和衰减后在面阵探测器上不同波长通道处的响应值I(λi)；
[0025]第三步，计算出在M
×
N个波长通道下水体样品对应的衰减系数和吸收系数；
[0026]第四步，用计算出的M
×
N个衰减系数和吸收系数分别拟合衰减系数曲线和吸收系数曲线，反演整个光谱范围内的衰减系数和吸收系数。
[0027]本专利技术提供的基于滤光片阵列的海水固有光学特性测量系统，系统结构简单，操作方便，不需要引入其他特殊光源和光谱探测仪器，显著降低了整个系统的复杂度和器件成本。通过M
×
N滤光片阵列，反演整个光谱范围内的衰减特性和吸收特性，提高了测量的准确度。
附图说明
[0028]图1为本专利技术实施例中基于滤光片阵列的海水固有光学特性测量系统的结构示意图；
[0029]图2为本专利技术实施例中5
×
5滤光片阵列的示意图。
具体实施方式
[0030]为了便于理解本专利技术，下面结合附图和具体实施例，对本专利技术进行更详细的说明。附图中给出了本专利技术的较佳的实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术公开内容的理解更加透彻全面。
[0031]实施例一本实施例提供的基于滤光片阵列的海水固有光学特性测量系统，其结构如图1所示，该系统分为两个测量光路用以分别测量海水水体的衰减系数和吸收系数。两个
测量光路均包含出光单元、样品测量单元、探测单元三个部分。
[0032]其中，出光单元包含两个LED光源，其中一个是能够长时间稳定输出的白光LED光源1，用于产生多波长测量所需的宽光谱光束，其发射光的波长范围是380nm～780nm；另一个则为紫外LED光源2，其发射波长为260nm～280nm，作用是通过紫外照射来抑制藻类等海洋生物的细胞增殖，防止系统部件上被细菌或其他海洋微生物吸附和生长，从而延长布放时间和提高系统使用寿命。
[0033]两个LED光源发出的光通过传导光纤3进行传输，其中间具有一个2
×
2光纤耦合器11用于对两路光源的光束进行耦合和分束，以此实现两个测量光路共用同一套LED光源出射的光。由于一般的石英光纤，在较强的紫外光照射下，经过一段时间后，光纤的透过率会降低，为了防止此类现象发生，需要使用一种经过紫外光长时间照射下其透过率仍基本不变的抗紫外辐照石英光纤(XSR)。光纤传输的波长范围在190nm至1100nm之间，涵盖了所使用的两个LED光源发射光的波长范围，即260nm～280nm和380nm～780nm。为了获得更好的性能，光纤在使用之前，先要曝光在紫外辐射中以得到初始衰减，待达到平衡后才能够正常使用。曝光时间的长短根据光源和功率决定。此外，传导光纤3两个出射端均连接了一个扩束准直镜4，以此对光纤传输来的光进行扩束和准直。扩束准直镜4的输出光束通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于滤光片阵列的海水固有光学特性测量系统，其特征在于：包括出光单元、样品测量单元和探测单元；所述出光单元设置于所述样品测量单元的一端，用于向所述样品测量单元提供入射光源；所述探测单元设置于所述样品测量单元的另一端，用于探测所述样品测量单元输出的光信号；所述的样品测量单元包括两个测量管，其中一个测量管用于测量海水的衰减特性，另一个测量管用于测量海水的吸收特性 。2.根据权利要求1所述的基于滤光片阵列的海水固有光学特性测量系统，其特征在于：所述的出光单元包括宽光谱光源，所述宽光谱光源连接两个扩束准直镜，所述扩束准直镜的输出光束从所述测量管的端面进入其内部。3.根据权利要求2所述的基于滤光片阵列的海水固有光学特性测量系统，其特征在于：所述探测单元包括与每个测量管对应的一个滤光片阵列和一个面阵探测器；所述滤光片阵列与面阵探测器紧贴平行放置。4.根据权利要求3所述的基于滤光片阵列的海水固有光学特性测量系统，其特征在于：所述的滤光片阵列为M
×
N滤光片阵列，每一个滤光片对应不同的中心波长；M
×
N个中心波长在宽光谱光源发射光的波长范围内选取。5.根据权利要求2所述的基于滤光片阵列的海水固有光学特性测量系统，其特征在于：所述的出光单元还包括紫外光源，所述紫外光源与所述宽光谱光源通过2
×
2光纤耦合器进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：门少杰，何家浩，刘兆军，刘博涵，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：