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一種多通道海水透明度測量裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種多通道海水透明度測量裝置，包括密封的透明度測量盤、光學測量裝置和光通信裝置；所述光學測量裝置嵌置于透明度測量盤的中心位置、測量面位于透明度測量盤正面，所述光學測量裝置包括中空連接的上殼體和下殼體，保護玻璃設(shè)置于兩殼體中空部位,一側(cè)通過橡膠隔離圈與上殼體接觸、一側(cè)通過橡膠隔離圈與若干個不同波段的濾光片接觸，每個濾光片底部均設(shè)置一個穿過下殼體的光電二極管，形成一個通道，若干個不同波段的濾光片與相應(yīng)的光電二極管形成若干個不同的通道。采用多通道、窄波段測量方式，可獲取多個不同通道在海水不同深度的輻射計數(shù)值，進而得到不同通道的海水透明度和消光系數(shù)廓線。
【專利說明】一種多通道海水透明度測量裝置及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種基于光學原理測量海水透明度測量裝置及其方法，主要應(yīng)用于海洋探測領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]海水透明度是指海水的渾濁程度，反映的是海水的消光特性，是海洋基本光學參數(shù)，是目前海洋調(diào)查工作中海水光學特性測量的基本內(nèi)容之一。海水透明度的水平和垂直分布，是影響水下通信、水下光學成像、水下激光探測等作用距離和效果的重要因子。開展水下對潛通信、潛艇隱沒與反潛、水雷布設(shè)與探雷、海床測繪等軍事活動均需要實時、準確的海水透明度廓線資料，實時、準確、豐富、長期積累的海水透明度資料對提高海軍水文保障能力具有重要意義。
[0003]目前海水透明度測量方法有鉛字法、十字法、塞氏盤法，主要通過人工觀測海水渾濁程度的方式進行，其中，塞氏盤法是一種最為常用的現(xiàn)場海水透明度測量方法。將直徑為30cm的白色圓盤(透明度盤，也稱塞克透明度測量盤)垂直放入水中，直到剛剛看不見為止。透明度盤“消失”的深度叫透明度。塞氏盤法雖然簡便、直觀，但測量結(jié)果受多因子的影響，如:(I)觀測器的性能；(2)觀測員主觀性；(3)觀測現(xiàn)場光照條件；(4)透明度測量盤顏色老化；(5)測量繩傾斜。
[0004]目前在海水透明度測量技術(shù)研究方面主要集中在國外，如:美國水文光學生物儀器公司(Hydro-Optics)、美國WET Labs公司、美國海洋光學儀器公司(Ocean-Optic)、德國Tr1S公司等，相應(yīng)設(shè)備和方法有:美國Hydro-Optics公司c-β eta光衰減測量儀、a-Sphere積分球法光吸收計、HydroRad高光譜水下光譜儀；美國WET Labs公司AC-S水體固有光學特性測量儀；美國Ocean-Optics公司環(huán)凹光柵海水測量儀；國內(nèi)研制的單通道海水透明度儀等。該類儀器均采用內(nèi)置光源和內(nèi)置電源的供電方式，儀器系統(tǒng)復(fù)雜、價格昂蟲貝ο


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種多通道海水透明度測量裝置及其方法，采用多通道、窄波段測量方式，可獲取多個不同通道在海水不同深度的輻射計數(shù)值，進而得到不同通道的海水透明度和消光系數(shù)廓線，觀測數(shù)據(jù)可與衛(wèi)星遙感高分辨率通道相對應(yīng)，適合為大面積精確遙感海水透明度信息提供訂正數(shù)據(jù)；采用內(nèi)置電容充電供電方式和光通信方式，價格低、簡單、實用，信息量大。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種多通道海水透明度測量裝置，包括密封的透明度測量盤、光學測量裝置和光通信裝置；
[0007]所述光學測量裝置嵌置于透明度測量盤的中心位置、測量面位于透明度測量盤正面，且在透明度測量盤底部通信面上開設(shè)光學測量裝置的通信接孔；
[0008]所述光通信裝置內(nèi)部設(shè)置有通信板，通信板通過通信板固定殼固定，通信板固定殼上設(shè)置有與通信接孔配套的通信接頭；通信接頭直接插入通信接口內(nèi)，實現(xiàn)光通信；
[0009]所述透明度測量盤內(nèi)部設(shè)置壓力傳感器和充電電容，側(cè)面設(shè)置充電環(huán)正、充電環(huán)負、充電環(huán)地；
[0010]所述光學測量裝置包括中空連接的上殼體和下殼體，保護玻璃設(shè)置于兩殼體中空部位，一側(cè)通過橡膠隔離圈與上殼體接觸、一側(cè)通過橡膠隔離圈與若干個不同波段的濾光片接觸，每個濾光片底部均設(shè)置一個穿過下殼體的光電二極管，形成一個通道，若干個不同波段的濾光片與相應(yīng)的光電二極管形成若干個不同的通道。
[0011]進一步的，所述上殼體和下殼體之間通過拉緊螺栓固定連接。
[0012]進一步的，所述濾光片的個數(shù)為3-6個。
[0013]進一步的，所述透明度測量盤正面為白色圓形。
[0014]本發(fā)明還提供一種多通道海水透明度測量方法，具體步驟如下:
[0015](I)用一根帶有刻度的測量繩固定多通道海水透明度測量裝置，將光學測量裝置的測量面朝上，放入海水中，緩慢下沉；
[0016](2)在下沉過程中，利用壓力傳感器多次觸發(fā)光學測量裝置測量海水透明度；測量方法如下:利用太陽發(fā)射光，通過光路輻射至測量面上，并通過保護玻璃和若干個不同波段的濾光片濾光處理后，通過硅光電二極管直接輸出若干個不同通道對應(yīng)的輻射量的計數(shù)值，并將計數(shù)值存儲在通信板內(nèi)部；
[0017](3)當多通道海水透明度測量裝置下沉到測量繩最深處時，將測量裝置拉出水面，利用光通信裝置，導(dǎo)出計數(shù)值，根據(jù)計數(shù)值和輻射值的對應(yīng)關(guān)系，得到同一深度的若干個不同通道的輻射值；通過多次觸發(fā)測量，得到若干個不同通道在不同深度的輻射值的變化關(guān)系，從而得到海水的多通道消光系數(shù)廓線。
[0018]進一步的，所述光學測量裝置的測量面朝下，放入海水中，緩慢下沉，重復(fù)步驟
(2)、(3)，得到海水的多通道后向散射系數(shù)廓線。
[0019]進一步的，所述測量繩的長度為45-55m。
[0020]進一步的，步驟(2)中，在下沉過程中，每下沉0.lm，利用壓力傳感器觸發(fā)光學測量裝置測量一次海水透明度。
[0021]本發(fā)明的有益效果是:
[0022](I)采用多通道、窄波段測量方式，可獲取多個不同通道在海水不同深度的輻射計數(shù)值，進而得到不同通道的海水透明度和消光系數(shù)廓線；觀測通道可根據(jù)需求進行設(shè)置，根據(jù)通道帶寬要求可選擇相應(yīng)的濾光片模塊得到該窄帶的輻射計數(shù)值；通?？蛇x擇從紫外、可見光到近紅外波段內(nèi)的多個通道進行測量，濾光片帶寬一般小于10nm。
[0023](2)采用內(nèi)置電容充電供電方式，避免了電池損耗和壽命問題，理論上電池壽命可達到無限長；可在透明度測量盤外部即可對電容進行充電，無需連接電源連接線；選擇的電容值大小適當，可保障測量工作持續(xù)30min以上，確保完成一次完整的測量過程。
[0024](3)光學測量裝置的控制(啟動測量、數(shù)據(jù)導(dǎo)出)均是依靠終端電腦通過DB9串口線連接通信板，通過通信板發(fā)指令給光通信裝置，光通信裝置與通信板之間采用光通信方式，避免了通信電纜連接。
[0025](4)內(nèi)置電容充電供電方式和光通信方式，避免了反復(fù)測量過程中需頻繁打開測量裝置，避免了電源電纜和通信電纜處可能導(dǎo)致的密封漏水和維護難題。測量裝置一旦制造完成并進行密封、防水測試后，在未來的使用中無需再次打開。
[0026](5)透明度測量盤內(nèi)部設(shè)置硅壓阻壓力傳感器，根據(jù)壓力變化，自動觸發(fā)光學測量裝置進行測量。
[0027](6)本裝置具備多種使用方式，信息量大。透明度測量盤正面設(shè)計為與人工觀測的透明度盤尺寸、形狀、顏色一致，在測量過程中可作為人工目測海水透明度的透明度盤使用。
[0028](7)本裝置以太陽光作為光源，避免了內(nèi)置復(fù)色光源可能導(dǎo)致的系統(tǒng)復(fù)雜問題，可一次性同步測量多個通道水體消光系數(shù)和后向散射系數(shù)廓線。要求在白天進行觀測，在一次測量過程中，要求太陽輻射變化不大，由于一次測量過程較短(1min內(nèi))，該條件容易滿足。由于采用了太陽光作為光源，導(dǎo)致該設(shè)備測量的深度較深，通?？蛇_60m以上，超過了人工目測海水透明度的最大深度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為多通道海水透明度測量裝置的光學測量面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為多通道海水透明度測量裝置的通信面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖3為光通信裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖4為光學測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖5為多通道海水透明度測量裝置的光學測量面向上和向下的測量示意圖。
[0034]圖中:1為硅光電二極管，2為下殼體，3為濾光片，4為橡膠隔離圈，5為保護玻璃，6為拉緊螺栓，7為上殼體，8為測量面，9為透明度測量盤，10為充電環(huán)正，11為充電環(huán)負，12為充電環(huán)地，13為通信接孔，14為硅壓阻壓力傳感器，15為通信面，16為通信接頭，17通信板固定殼,18為太陽，19為光路。

【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0036]如圖1、2所示，一種多通道海水透明度測量裝置，包括密封的透明度測量盤9、光學測量裝置和光通信裝置。所述光學測量裝置嵌置于透明度測量盤的中心位置、測量面8位于透明度測量盤正面，且在透明度測量盤底部通信面15上開設(shè)光學測量裝置的通信接孔13。如圖3所示，所述光通信裝置內(nèi)部設(shè)置有通信板，通信板通過通信板固定殼17固定，通信板固定殼17上設(shè)置有與通信接孔13配套的通信接頭16。通信接頭直接插入通信接口內(nèi)，實現(xiàn)光通信，光學測量裝置的控制(啟動測量、數(shù)據(jù)導(dǎo)出)均是依靠終端電腦通過DB9串口線連接通信板，通過通信板發(fā)指令給光通信裝置，光通信裝置與通信板之間采用光通信方式，避免了通信電纜連接。
[0037]透明度測量盤9內(nèi)部設(shè)置充電電容、側(cè)面設(shè)置充電環(huán)正10、充電環(huán)負11、充電環(huán)地12，采用內(nèi)置電容充電供電方式，避免了電池損耗和壽命問題，理論上電池壽命可達到無限長；可在透明度測量盤外部即可對電容進行充電，無需連接電源連接線；選擇的電容值大小適當，可保障測量工作持續(xù)30min以上，確保完成一次完整的測量過程。光學測量裝置和光通信裝置均采用充電電容供電。
[0038]內(nèi)置電容充電供電方式和光通信方式，避免了反復(fù)測量過程中需頻繁打開測量裝置，避免了電源電纜和通信電纜處可能導(dǎo)致的密封漏水和維護難題。測量裝置一旦制造完成并進行密封、防水測試后，在未來的使用中無需再次打開。
[0039]透明度測量盤9內(nèi)部設(shè)置硅壓阻壓力傳感器14，根據(jù)壓力變化，自動觸發(fā)光學測量裝置進行測量。
[0040]如圖4所不,所述光學測量裝置包括中空的上殼體7和下殼體2,上殼體7和下殼體2之間通過拉緊螺栓6固定連接，保護玻璃5設(shè)置于兩殼體中空部位，且上下兩側(cè)均設(shè)置橡膠隔離圈4，一側(cè)通過橡膠隔離圈4與上殼體7接觸、一側(cè)通過橡膠隔離圈4與4個不同波段的濾光片3接觸，每個濾光片3底部均設(shè)置一個穿過下殼體的硅光電二極管1，形成一個通道，4個不同波段的濾光片與相應(yīng)的硅光電二極管則形成4個不同的通道。且本發(fā)明采用濾光片為窄帶濾光片，采用多通道、窄波段測量方式，可獲取多個不同通道在海水不同深度的輻射計數(shù)值，進而得到不同通道的海水透明度和消光系數(shù)廓線；觀測通道可根據(jù)需求進行設(shè)置，根據(jù)通道帶寬要求可選擇相應(yīng)的濾光片模塊得到該窄帶的輻射計數(shù)值；通?？蛇x擇從紫外、可見光到近紅外波段內(nèi)的多個通道進行測量，濾光片帶寬一般小于10nm。
[0041]如圖5所示，測量方法如下:用一根帶有刻度的50m長的測量繩固定多通道海水透明度測量裝置，將光學測量裝置的測量面朝上，放入海水中，緩慢下沉；在下沉過程中，每下沉0.lm，利用硅壓阻壓力傳感器觸發(fā)光學測量裝置測量一次海水透明度。測量方法如下:利用太陽發(fā)射光，通過光路輻射至測量面上，并通過保護玻璃和若干個不同波段的濾光片濾光處理后，通過硅光電二極管直接輸出若干個不同通道對應(yīng)的輻射量的計數(shù)值，并將計數(shù)值存儲在通信板內(nèi)部；當多通道海水透明度測量裝置下沉到測量繩最深處時，將測量裝置拉出水面，利用光通信裝置，導(dǎo)出計數(shù)值，根據(jù)計數(shù)值和輻射值的對應(yīng)關(guān)系，得到同一深度的若干個不同通道的輻射值；通過多次觸發(fā)測量，得到若干個不同通道在不同深度的輻射值的變化關(guān)系，從而得到海水的多通道消光系數(shù)廓線。然后再將光學測量裝置的測量面朝下，放入海水中，緩慢下沉，重復(fù)上述步驟，得到海水的多通道后向散射系數(shù)廓線。
[0042]其中，多通道海水透明度測量裝置每下沉0.lm，壓力傳感器觸發(fā)光學測量裝置測量一次海水透明度，原理如下:海水密度X重力加速度X深度，即為壓力，海水的密度和重力加速度均為已知，則壓力與深度呈一定的比例關(guān)系，深度通過帶有刻度的測量繩可得，則壓力可計算得到。同時，壓力通過硅壓阻壓力傳感器14可測得，控制硅壓阻壓力傳感器14在達到每個需測量深度對應(yīng)壓力時測量一次，即可實現(xiàn)每下沉0.lm，壓力傳感器觸發(fā)一次測量。
[0043]本裝置具備多種使用方式，信息量大。透明度測量盤正面設(shè)計為與人工觀測的透明度盤尺寸、形狀、顏色一致(直徑30cm、白色圓盤)，在測量過程中可作為人工目測海水透明度的透明度盤使用。
[0044]本裝置以太陽光作為光源，避免了內(nèi)置復(fù)色光源可能導(dǎo)致的系統(tǒng)復(fù)雜問題，可一次性同步測量多個通道水體消光系數(shù)和后向散射系數(shù)廓線。要求在白天進行觀測，在一次測量過程中，要求太陽輻射變化不大，由于一次測量過程較短(1min內(nèi))，該條件容易滿足。由于采用了太陽光作為光源，導(dǎo)致該設(shè)備測量的深度較深，通?？蛇_60m以上，超過了人工目測海水透明度的最大深度。
[0045]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種多通道海水透明度測量裝置，其特征在于:包括密封的透明度測量盤、光學測量裝置和光通信裝置； 所述光學測量裝置嵌置于透明度測量盤的中心位置、測量面位于透明度測量盤正面，且在透明度測量盤底部通信面上開設(shè)光學測量裝置的通信接孔； 所述光通信裝置內(nèi)部設(shè)置有通信板，通信板通過通信板固定殼固定，通信板固定殼上設(shè)置有與通信接孔配套的通信接頭；通信接頭直接插入通信接口內(nèi)，實現(xiàn)光通信； 所述透明度測量盤內(nèi)部設(shè)置壓力傳感器和充電電容，側(cè)面設(shè)置充電環(huán)正、充電環(huán)負、充電環(huán)地； 所述光學測量裝置包括中空連接的上殼體和下殼體，保護玻璃設(shè)置于兩殼體中空部位，一側(cè)通過橡膠隔離圈與上殼體接觸、一側(cè)通過橡膠隔離圈與若干個不同波段的濾光片接觸，每個濾光片底部均設(shè)置一個穿過下殼體的光電二極管，形成一個通道，若干個不同波段的濾光片與相應(yīng)的光電二極管形成若干個不同的通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道海水透明度測量裝置，其特征在于:所述上殼體和下殼體之間通過拉緊螺栓固定連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道海水透明度測量裝置，其特征在于:所述濾光片的個數(shù)為3-6個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道海水透明度測量裝置，其特征在于:所述透明度測量盤正面為白色圓形。
5.一種多通道海水透明度測量方法，其特征在于:具體步驟如下: (1)用一根帶有刻度的測量繩固定多通道海水透明度測量裝置，將光學測量裝置的測量面朝上，放入海水中，緩慢下沉； (2)在下沉過程中，利用壓力傳感器多次觸發(fā)光學測量裝置測量海水透明度；測量方法如下:利用太陽發(fā)射光，通過光路輻射至測量面上，并通過保護玻璃和若干個不同波段的濾光片濾光處理后，通過硅光電二極管直接輸出若干個不同通道對應(yīng)的輻射量的計數(shù)值，并將計數(shù)值存儲在通信板內(nèi)部； (3)當多通道海水透明度測量裝置下沉到測量繩最深處時，將測量裝置拉出水面，利用光通信裝置，導(dǎo)出計數(shù)值，根據(jù)計數(shù)值和輻射值的對應(yīng)關(guān)系，得到同一深度的若干個不同通道的輻射值；通過多次觸發(fā)測量，得到若干個不同通道在不同深度的輻射值的變化關(guān)系，從而得到海水的多通道消光系數(shù)廓線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多通道海水透明度測量方法，其特征在于:所述光學測量裝置的測量面朝下，放入海水中，緩慢下沉，重復(fù)步驟(2)、(3)，得到海水的多通道后向散射系數(shù)廓線。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多通道海水透明度測量方法，其特征在于:所述測量繩的長度為45-55m。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多通道海水透明度測量方法，其特征在于:步驟⑵中，在下沉過程中，每下沉0.lm，利用壓力傳感器觸發(fā)光學測量裝置測量一次海水透明度。
【文檔編號】G01N21/59GK104251844SQ201410481634
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】趙世軍, 高太長, 程天際, 胡帥, 翟東力, 尹興浩, 陳振濤, 代中華 申請人:中國人民解放軍理工大學