一种海水体散射函数测量系统

摘要

本发明公开一种海水体散射函数测量系统，包括光学系统模块、中央控制模块、数据采集存储模块、数据下载模块和供电模块；本发明通过四组散射光探测器的设置使采集到的海水水体的散射光信号范围更为全面，提高了动态测量范围，从而使测量结果更具代表性，通过高灵敏度的光电探测器和高精度的24位模拟数字转换器相结合的设计使光信号得到了有效放大，进而解决了微弱散射信号检测难的问题，且通过光源调制消除了太阳光对散射光信号测量的影响，通过在激光光源输出端安装消偏振片消除了激光光源的偏振现象，另外还通过无线数据传输模块与大容量FLASH存储器的配合使用，使系统的自动化程度更高，大大方便了测量人员的野外现场作业。

说明书

技术领域

本发明涉及体散射函数测量技术领域，尤其涉及一种海水体散射函数测量系统。

背景技术

海洋是人类赖以生存和发展的空间，蕴藏着极其丰富的自然资源，研究并良好地利用海洋将成为人类生存发展的必然选择，尺寸分布在100nm～1000μm的浮游植物属于悬浮粒子，是海洋生物链和海水水体的重要组成部分，地球50％的氧气有浮游植物光合作用产生，它的种类，尺寸分布等对水质及生态平衡具有重要意义，海水中悬浮颗粒的体散射函数是水体的固有光学特性，它描述了水体中光散射的方向性，是了解和模拟海水中光辐射传输的基础，通过测定海水的体散射函数，可以得到其体散射系数、反向散射系数及散射相函数等光学特性参数，这些参数对于海洋浮游生物检测及环境监测十分重要，同时还可以定量反推演海水中各种颗粒物的浓度；

目前，由于体散射函数不便于直接进行测量，导致人们对海水的体散射函数的研究还不多，且由于野外现场工作环境恶劣，从而使现有的一些体散射函数测量系统自动化程度较低，无法对微弱散射信号进行探测并对背景太阳光进行滤除，也不便于进行测量数据的存储和下载，另外由于散射信号在0°～180°范围内强度分布跨度较大，导致测量系统的动态测量范围不足，从而给海水的体散射函数测量带来困难，因此，本发明提出一种海水体散射函数测量系统以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种海水体散射函数测量系统，该系统通过高灵敏度的光电探测器和高精度的24位模拟数字转换器相结合的设计使光信号得到了有效放大，进而解决了微弱散射信号检测难的问题，且通过光源调制消除了太阳光对散射光信号测量的影响，通过在激光光源输出端安装消偏振片消除了激光光源的偏振现象。

为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种海水体散射函数测量系统，包括光学系统模块、中央控制模块、数据采集存储模块、数据下载模块和供电模块，所述光学系统模块、数据采集存储模块、数据下载模块和供电模块均与中央控制模块连接，所述光学系统模块包括用于发出光源的光源单元、用于对光源进行散射的散射单元和用于对散射光源进行采集的散射光探测器，所述中央控制模块包括用于控制现场仪器的中央处理器、用于接收散射光探测器信号的模拟数字转换器、用于记录光信号采样时间的时间芯片、用于将光信号转换成电信号的光电探测器、用于将电信号分析计算成体散射函数的分析处理单元和用于对分析处理后的电信号进行存储的大容量FLASH存储器，所述数据采集存储模块包括用于对光电探测器电信号进行检波、放大、整流和滤波的带通滤波器以及用于对于模拟数字转换器转换的光信号进行存储的非易失性数据存储器，所述数据下载模块包括与中央控制模块连接的第一超短波模块、与上位PC机COM口连接的第二超短波模块和用于提供双向数据信号传输控制的无线数据传输模块。

进一步改进在于：所述光源单元包括激光光源、消偏振片和光源调制电路，所述激光光源采用波长为650nm的发光二极管，所述激光光源的输出功率为5mW，所述消偏振片安装于激光光源的输出端，通过光源调制电路将激光光源发出的准直光束调制成为1kHz的脉冲信号输出。

进一步改进在于：所述散射光探测器设有四组，其中一组所述散射光探测器与激光光源处于同一中心线且对称分布于散射单元两侧，另外三组所述散射光探测器与激光光源处于同一水平面且在散射单元下方呈等角度分布。

进一步改进在于：所述散射光探测器为高灵敏度探测器，内部封装有预放大器，用于对接收到的散射光信号进行一级放大，所述光电探测器内部安装有干涉滤光片，用于降低太阳光影响。

进一步改进在于：所述模拟数字转换器为24位高精度模拟数字转换器，内部设有可编程增溢放大器，用于增溢放大光信号。

进一步改进在于：所述供电模块包括用于为系统供电的蓄电池组、用于对系统使用电流进行稳压控制的稳压器和用于接收太阳能并为蓄电池组充电的太阳能光伏组件。

进一步改进在于：所述无线数据传输模块有效通讯距离大于200m，所述第一超短波模块和第二超短波模块之间的通讯波特率为9600nps，所述中央控制模块和第一超短波模块之间的通讯波特率为4800nps，所述上位机和第二超短波模块之间的通讯波特率为4800nps。

本发明的有益效果为：本发明通过四组散射光探测器的设置使采集到的海水水体的散射光信号范围更为全面，提高了动态测量范围，从而使测量结果更具代表性，通过在模拟数字转换器内部设置可编程增溢放大器使光信号得到增溢放大，通过在光电探测器内设置干涉滤光片进一步降低了太阳光对散射光的影响，从而通过高灵敏度的光电探测器和高精度的24位模拟数字转换器相结合的设计使光信号得到了有效放大，进而解决了微弱散射信号检测难的问题，且通过光源调制消除了太阳光对散射光信号测量的影响，通过在激光光源输出端安装消偏振片消除了激光光源的偏振现象，使测量结果更为准确，另外还通过无线数据传输模块与大容量FLASH存储器的配合使用，使系统的自动化程度更高，大大方便了测量人员的野外现场作业，同时便于通过测量得到的海水体散射函数推导出海水的散射系数、后向散射系数和散射相函数等水体固定光学特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1，本实施例提供了一种海水体散射函数测量系统，包括光学系统模块、中央控制模块、数据采集存储模块、数据下载模块和供电模块，所述光学系统模块、数据采集存储模块、数据下载模块和供电模块均与中央控制模块连接，所述光学系统模块包括用于发出光源的光源单元、用于对光源进行散射的散射单元和用于对散射光源进行采集的散射光探测器，所述中央控制模块包括用于控制现场仪器的中央处理器、用于接收散射光探测器信号的模拟数字转换器、用于记录光信号采样时间的时间芯片、用于将光信号转换成电信号的光电探测器、用于将电信号分析计算成体散射函数的分析处理单元和用于对分析处理后的电信号进行存储的大容量FLASH存储器，所述数据采集存储模块包括用于对光电探测器电信号进行检波、放大、整流和滤波的带通滤波器以及用于对于模拟数字转换器转换的光信号进行存储的非易失性数据存储器，所述数据下载模块包括与中央控制模块连接的第一超短波模块、与上位PC机COM口连接的第二超短波模块和用于提供双向数据信号传输控制的无线数据传输模块。

所述光源单元包括激光光源、消偏振片和光源调制电路，所述激光光源采用波长为650nm的发光二极管，所述激光光源的输出功率为5mW，所述消偏振片安装于激光光源的输出端，通过光源调制电路将激光光源发出的准直光束调制成为1kHz的脉冲信号输出。

所述散射光探测器设有四组，其中一组所述散射光探测器与激光光源处于同一中心线且对称分布于散射单元两侧，另外三组所述散射光探测器与激光光源处于同一水平面且在散射单元下方呈等角度分布。

所述散射光探测器为高灵敏度探测器，内部封装有预放大器，用于对接收到的散射光信号进行一级放大，所述光电探测器内部安装有干涉滤光片，用于降低太阳光影响。

所述模拟数字转换器为24位高精度模拟数字转换器，内部设有可编程增溢放大器，用于增溢放大光信号。

所述供电模块包括用于为系统供电的蓄电池组、用于对系统使用电流进行稳压控制的稳压器和用于接收太阳能并为蓄电池组充电的太阳能光伏组件。

所述无线数据传输模块有效通讯距离大于200m，所述第一超短波模块和第二超短波模块之间的通讯波特率为9600nps，所述中央控制模块和第一超短波模块之间的通讯波特率为4800nps，所述上位机和第二超短波模块之间的通讯波特率为4800nps。

该海水体散射函数测量系统通过四组散射光探测器的设置使采集到的海水水体的散射光信号范围更为全面，提高了动态测量范围，从而使测量结果更具代表性，通过在模拟数字转换器内部设置可编程增溢放大器使光信号得到增溢放大，通过在光电探测器内设置干涉滤光片进一步降低了太阳光对散射光的影响，从而通过高灵敏度的光电探测器和高精度的24位模拟数字转换器相结合的设计使光信号得到了有效放大，进而解决了微弱散射信号检测难的问题，且通过光源调制消除了太阳光对散射光信号测量的影响，通过在激光光源输出端安装消偏振片消除了激光光源的偏振现象，另外还通过无线数据传输模块与大容量FLASH存储器的配合使用，使系统的自动化程度更高，大大方便了测量人员的野外现场作业，同时便于通过测量得到的海水体散射函数推导出海水的散射系数、后向散射系数和散射相函数等水体固定光学特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。