本發(fā)明涉及海洋檢測技術領域，更具體地，涉及一種水體體散射函數(shù)及衰減系數(shù)同步測量儀及其測量方法。

背景技術：

散射函數(shù)(β(ψ),vsf)描述的是入射光束在水中某一散射體上的角度分布。定義為相應于某一立體角ω和散射體積v的散射通量的二階導數(shù)除以入射輻照度，單位為m^-1sr^-1。

其中ψ為散射角。β(ψ)雖然不顯含波長，但是波長的函數(shù)。在海水中，β(ψ)還隨時間和空間變化，一般表示為深度的函數(shù)。

由體散射函數(shù)可計算總散射系數(shù)b(λ)、后向散射系數(shù)bb(λ)以及無量綱體散射相函數(shù)等，總散射系數(shù)、后向散射系數(shù)、體散射相函數(shù)分別為：

體散射相函數(shù)給出的是在所有方向上散射的光子轉向進入ψ角方向的概率，而體散射系數(shù)是描述單位程長散射過程的強度。

對體散射函數(shù)的數(shù)學定義式1做如下說明：

其中φi(0,0)為光源光通量，φs(rs,ψ)為經(jīng)體積為v(ψ)的散射體散射后的散射光通量，φs(rd,ψ)為探測器接收到的散射光通量，rs為光源到散射體中心的距離，rd為探測器與散射體中心之間的距離，s(ψ)為光源出射光的橫截面，c為待測水體的衰減系數(shù)，可通過透射光測量獲取。

將式5、6代入式1得：

式8中，φt(rd,0)為透射光探測器接收到的透射光通量。

式7中，rs、rd、v(ψ)以及ω均可以通過儀器的幾何設計結構直接或間接計算得到，因此在已知入射光源光通量的前提下，只要測量得到不同方向散射光通量φs(rd,ψ)以及水體的衰減系數(shù)c即可以計算得到相應的β(ψ)。

現(xiàn)有技術中，對于水體體散射函數(shù)測量，主要集中在后向某一個或幾個角度上，測量結果存在分辨率低、信息量少等缺點，且，必須額外配合衰減系數(shù)測量儀方能獲取體散射函數(shù)信息，極其不方便。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術所述的至少一種缺陷，提供一種水體體散射函數(shù)及衰減系數(shù)同步測量儀及其測量方法。本發(fā)明結構簡單，使用方便，可實現(xiàn)水體體散射函數(shù)及衰減系數(shù)同步測量，可簡化水體體散射函數(shù)及衰減系數(shù)的測量過程，可提高水體體散射函數(shù)測量的角度分辨率。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：一種水體體散射函數(shù)及衰減系數(shù)同步測量儀，其中，包括第一光源、第二光源、n個散射通量探頭組、透射光探頭、深度探頭、數(shù)據(jù)采樣及供電控制系統(tǒng)、用于固定第一光源和散射通量探頭組的第一固定支架、用于固定第二光源和透射光探頭的第二固定支架以及用于支撐數(shù)據(jù)采樣及供電控制系統(tǒng)的支撐架，所述深度探頭、第二固定支架和支撐架均設在所述第一固定支架上，所述第二光源和透射光探頭相對設置在所述第二固定支架兩端，所述第一固定支架呈圓環(huán)狀，所述第一光源和n個散射通量探頭組均勻分布在所述第一固定支架的周向上，所述第一光源、第二光源、散射通量探頭組、透射光探頭和深度探頭均與所述數(shù)據(jù)采樣及供電控制系統(tǒng)電連接。所述n個散射通量探頭組、透射光探頭以及深度探頭可同步啟動，可快速同步實現(xiàn)多個角度水體散射光通量、透射光及深度信息的快速測量。

進一步的，所述第一固定支架包括內(nèi)圓環(huán)、外圓環(huán)以及將內(nèi)圓環(huán)、外圓環(huán)上端面連接起來的第三圓環(huán)，所述內(nèi)圓環(huán)、外圓環(huán)以及第三圓環(huán)共圓心，所述第三圓環(huán)的內(nèi)徑與所述內(nèi)圓環(huán)的內(nèi)徑相同，所述第三圓環(huán)的外徑與所述外圓環(huán)的外徑相同，內(nèi)、外圓環(huán)的厚度一致，環(huán)的寬度也一致，內(nèi)、外圓環(huán)均由不易變形耐腐蝕材料制成。

進一步的，所述內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)的周向上均勻設置了n+1組安裝孔，每組安裝孔包括設在內(nèi)圓環(huán)周向上的第一通孔和設在外圓環(huán)周向上且和第一通孔相對應的第二通孔，所述第一光源設在其中一組安裝孔中，第一光源的出光端設在所述第一通孔內(nèi)，所述散射通量探頭組設在余下的n組安裝孔中，散射通量探頭組的入光端設在所述第一通孔內(nèi)，所述散射通量探頭組的視場中心與所述第一光源的中心軸線共面，這樣，內(nèi)圓環(huán)的內(nèi)徑即為散射光程長度；所述第一光源以及散射通量探頭組的長度略大于所述內(nèi)圓環(huán)與所述外圓環(huán)之間的距離，這樣就可以準確固定散射通量探頭組。為了便于固定散射通量探頭組，安裝孔的直徑略大于(不超過5mm)散射通量探頭組的外徑，內(nèi)、外圓環(huán)上靠近安裝孔的位置開設有探頭固定螺孔。這樣設計第一固定支架的目的是為了便于數(shù)據(jù)采樣及供電控制系統(tǒng)的固定和安裝，同時可以確保散射通量探頭組以及第一光源的位置在惡劣海況下不發(fā)生變形。

進一步的，所述第二固定支架為一槽體，所述槽體的長度與所述第三圓環(huán)的外徑相同，所述第二光源和透射光探頭相對設置在所述槽體兩端，第二光源的出光端與透射光探頭的入光端之間的距離跟所述第三圓環(huán)的內(nèi)徑相同，所述槽體為u型槽體，所述槽體的槽壁為百葉狀。百葉狀u型槽可以避免透射光及其鏡面反射光對散射通量探頭組光學信號的污染，同時也可以確?，F(xiàn)場水體流動暢通。

進一步的，所述數(shù)據(jù)采樣及供電控制系統(tǒng)包括主體外殼，主體外殼密封設計，所述主體外殼內(nèi)設有可充電電池組、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)和無線通訊設備，所述可充電電池組和無線通訊設備均與所述數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)電連接，數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)可同步開啟不同方向的散射通量探頭組、透射光探頭以及深度探頭進行數(shù)據(jù)采集處理、自容式存儲以及與上位機之間的數(shù)據(jù)及信息傳輸；所述主體外殼的外壁上設有n+4個第一水密插頭，所述n+4個第一水密插頭均與所述數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)連接，所述第一光源、第二光源、散射通量探頭組、透射光探頭和深度探頭上設有與所述第一水密插頭一一對應的第二水密插頭，所述第一水密插頭與對應的第二水密插頭之間設有水密電纜，用于供電和通訊，所述主體外殼上設有起吊環(huán)，方便測量儀的起吊。

進一步的，所述主體外殼的頂部設有自動控制供斷電開關，所述自動控制供斷電開關包括第一干簧管、第二干簧管以及與所述第一干簧管、第二干簧管配合的磁鐵，第一干簧管用于控制上電，第二干簧管控制斷電。

進一步的，所述散射通量探頭組和透射光探頭結構相同，均包括水密圓柱殼體i和設在所述水密圓柱殼體i內(nèi)的從入光端起依次排列的光學玻璃、光學準直系統(tǒng)、光電探測器和電子系統(tǒng)，所述透射光探頭中光電探測器的表面設有一層漫反射薄膜，這樣就可以將鏡面反射光轉換為漫反射光，以降低透射光探頭鏡面反射對第二光源出光信號的污染。

進一步的，所述第一光源和第二光源結構相同，均包括水密圓柱殼體ii和設在所述水密圓柱殼體ii內(nèi)的從出光端起依次排列的密封出光玻璃窗口、準直準直光源及參考光探測模塊，所述第二光源的出光端設有光闌組件。所述光闌組件包括黑色空心圓柱體和設在所述黑色空心圓柱體內(nèi)的光闌，所述光闌為一設有中心孔的圓錐臺，中心孔的孔徑與所述第二光源出射光光斑大小一致，所述光闌的中心軸線與所述第二光源的出射光光斑中心軸線重合。這樣設計同樣是為了降低透射光探頭鏡面反射對第二光源出光信號的污染。

本發(fā)明還提供一種上述水體體散射函數(shù)及衰減系數(shù)同步測量儀的測量方法，其中，包括以下步驟：

s1.使得自動控制供斷電開關中的磁鐵靠近用于控制上電的第一干簧管一端，第一干簧管的簧片觸點部分被磁力吸引，供電開關打開，儀器上電，數(shù)據(jù)采樣及供電控制系統(tǒng)控制第一光源、第二光源打開，并同步開啟深度探頭，進行實時采集深度信息并判斷。

s2.數(shù)據(jù)采樣及供電控制系統(tǒng)通過深度信息判斷測量儀已沒入水面以下后，控制散射通量探頭組和透射光探頭開始采樣，實時記錄散射通量及透射光通量數(shù)值，結合公式①～⑧獲取衰減系數(shù)和水體體散射函數(shù)，并進行數(shù)據(jù)處理和存儲。

s3.測量結束后測量儀離開水面，自動停止采樣。

s4.測量儀離開水面后，工作人員基于無線通訊對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行下載和提取。

s5.數(shù)據(jù)提取結束后，使得自動控制供斷電開關中的磁鐵靠近第二干簧管一端，干簧管的簧片觸點部分被磁力吸引，斷電開關打開，儀器關斷電源。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明將散射通量探頭組、透射光探頭、深度探頭以及數(shù)據(jù)采樣及供電控制系統(tǒng)集成設置在同一個測量儀上，簡化了水體體散射函數(shù)及衰減系數(shù)的測量過程，提高了水體體散射函數(shù)測量的角度分辨率，在不降低散射通量探測精度的前提下，確保了水體體散射函數(shù)及衰減系數(shù)的測量同步、高集成度快速完成，適用于水下剖面以及實驗室等多種場合。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖。

圖2是本發(fā)明的仰視圖。

圖3是本發(fā)明第二固定支架的結構示意圖。

圖4是本發(fā)明散射通量探頭組和透射光探頭的結構示意圖。

圖5是本發(fā)明第一光源和第二光源的結構示意圖。

圖6是本發(fā)明光闌組件的結構示意圖。

圖7是本發(fā)明自動控制供斷電開關的結構示意圖。

具體實施方式

附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產(chǎn)品的尺寸；對于本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。附圖中描述位置關系僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制。

如圖1和圖2所示，一種水體體散射函數(shù)及衰減系數(shù)同步測量儀，其中，包括第一光源1、第二光源2、n個散射通量探頭組3、透射光探頭4、深度探頭5、數(shù)據(jù)采樣及供電控制系統(tǒng)6、用于固定第一光源1和散射通量探頭組3的第一固定支架7、用于固定第二光源2和透射光探頭4的第二固定支架8以及用于支撐數(shù)據(jù)采樣及供電控制系統(tǒng)6的支撐架9，所述深度探頭5、第二固定支架8和支撐架9均設在所述第一固定支架7上，所述第二光源2和透射光探頭4相對設置在所述第二固定支架8兩端，所述第一固定支架7呈圓環(huán)狀，所述第一光源1和n個散射通量探頭組3均勻分布在所述第一固定支架7的周向上，所述第一光源1、第二光源2、散射通量探頭組3、透射光探頭4和深度探頭5均與所述數(shù)據(jù)采樣及供電控制系統(tǒng)6電連接。所述n個散射通量探頭組3、透射光探頭4以及深度探頭5可同步啟動，可快速同步實現(xiàn)多個角度水體散射光通量、透射光及深度信息的快速測量。

如圖1和圖2所示，所述第一固定支架7包括內(nèi)圓環(huán)71、外圓環(huán)72以及將內(nèi)圓環(huán)71、外圓環(huán)72上端面連接起來的第三圓環(huán)73，所述內(nèi)圓環(huán)71、外圓環(huán)72以及第三圓環(huán)73共圓心，所述第三圓環(huán)73的內(nèi)徑與所述內(nèi)圓環(huán)71的內(nèi)徑相同，所述第三圓環(huán)73的外徑與所述外圓環(huán)72的外徑相同，內(nèi)、外圓環(huán)72的厚度一致，環(huán)的寬度也一致，內(nèi)、外圓環(huán)72均由不易變形耐腐蝕材料制成。

如圖1和圖2所示，所述內(nèi)圓環(huán)71和外圓環(huán)72的周向上均勻設置了n+1組安裝孔，每組安裝孔包括設在內(nèi)圓環(huán)71周向上的第一通孔和設在外圓環(huán)72周向上且和第一通孔相對應的第二通孔，所述第一光源1設在其中一組安裝孔中，第一光源1的出光端設在所述第一通孔內(nèi)，所述散射通量探頭組3設在余下的n組安裝孔中，散射通量探頭組3的入光端設在所述第一通孔內(nèi)，所述散射通量探頭組3的視場中心與所述第一光源1的中心軸線共面，這樣，內(nèi)圓環(huán)71的內(nèi)徑即為散射光程長度；所述第一光源1以及散射通量探頭組3的長度略大于所述內(nèi)圓環(huán)71與所述外圓環(huán)72之間的距離，這樣就可以準確固定散射通量探頭組3。為了便于固定散射通量探頭組3，安裝孔的直徑略大于(不超過5mm)散射通量探頭組3的外徑，內(nèi)、外圓環(huán)72上靠近安裝孔的位置開設有探頭固定螺孔。這樣設計第一固定支架7的目的是為了便于數(shù)據(jù)采樣及供電控制系統(tǒng)6的固定和安裝，同時可以確保散射通量探頭組3以及第一光源1的位置在惡劣海況下不發(fā)生變形。

如圖1到圖3所示，所述第二固定支架8為一槽體，所述槽體的長度與所述第三圓環(huán)73的外徑相同，所述第二光源2和透射光探頭4相對設置在所述槽體兩端，第二光源2的出光端與透射光探頭4的入光端之間的距離跟所述第三圓環(huán)73的內(nèi)徑相同，所述槽體為u型槽體，所述槽體的槽壁為百葉狀。百葉狀u型槽可以避免透射光及其鏡面反射光對散射通量探頭組3光學信號的污染，同時也可以確?，F(xiàn)場水體流動暢通。

本實施例中，所述數(shù)據(jù)采樣及供電控制系統(tǒng)6包括主體外殼，主體外殼密封設計，所述主體外殼內(nèi)設有可充電電池組、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)和無線通訊設備，所述可充電電池組和無線通訊設備均與所述數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)電連接，數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)可同步開啟不同方向的散射通量探頭組3、透射光探頭4以及深度探頭5進行數(shù)據(jù)采集處理、自容式存儲以及與上位機之間的數(shù)據(jù)及信息傳輸；所述主體外殼的外壁上設有n+4個第一水密插頭，所述n+4個第一水密插頭均與所述數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)連接，所述第一光源1、第二光源2、散射通量探頭組3、透射光探頭4和深度探頭5上設有與所述第一水密插頭一一對應的第二水密插頭，所述第一水密插頭與對應的第二水密插頭之間設有水密電纜，用于供電和通訊，所述主體外殼上設有起吊環(huán)10，方便測量儀的起吊。

如圖7所示，所述主體外殼的頂部設有自動控制供斷電開關，所述自動控制供斷電開關包括第一干簧管11、第二干簧管12以及與所述第一干簧管11、第二干簧管12配合的磁鐵，第一干簧管11用于控制上電，第二干簧管12控制斷電。

如圖4所示，所述散射通量探頭組3和透射光探頭4結構相同，均包括水密圓柱殼體i13和設在所述水密圓柱殼體i13內(nèi)的從入光端起依次排列的光學玻璃14、光學準直系統(tǒng)15、光電探測器16和電子系統(tǒng)17，所述透射光探頭4中光電探測器16的表面設有一層漫反射薄膜，這樣就可以將鏡面反射光轉換為漫反射光，以降低透射光探頭4鏡面反射對第二光源2出光信號的污染。

如圖5和圖6所示，所述第一光源1和第二光源2結構相同，均包括水密圓柱殼體ii18和設在所述水密圓柱殼體ii18內(nèi)的從出光端起依次排列的密封出光玻璃窗口19、準直光源及參考光探測模塊20，所述第二光源2的出光端設有光闌組件。所述光闌組件包括黑色空心圓柱體21和設在所述黑色空心圓柱體21內(nèi)的光闌22，所述光闌22為一設有中心孔23的圓錐臺，中心孔23的孔徑與所述第二光源2出射光光斑大小一致，所述光闌22的中心軸線與所述第二光源2的出射光光斑中心軸線重合。這樣設計同樣是為了降低透射光探頭4鏡面反射對第二光源2出光信號的污染。

本實施例中，該水體體散射函數(shù)及衰減系數(shù)同步測量儀的測量方法包括以下步驟：

s1.使得自動控制供斷電開關中的磁鐵靠近用于控制上電的第一干簧管11一端，第一干簧管11的簧片觸點部分被磁力吸引，供電開關打開，儀器上電，數(shù)據(jù)采樣及供電控制系統(tǒng)6控制第一光源1、第二光源2打開，并同步開啟深度探頭5，進行實時采集深度信息并判斷。

s2.數(shù)據(jù)采樣及供電控制系統(tǒng)6通過深度信息判斷測量儀已沒入水面以下后，控制散射通量探頭組3和透射光探頭4開始采樣，實時記錄散射通量及透射光通量數(shù)值，結合公式①～⑧獲取衰減系數(shù)和水體體散射函數(shù)，并進行數(shù)據(jù)處理和存儲。

s3.測量結束后測量儀離開水面，自動停止采樣。

s4.測量儀離開水面后，工作人員基于無線通訊對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行下載和提取。

s5.數(shù)據(jù)提取結束后，使得自動控制供斷電開關中的磁鐵靠近第二干簧管12一端，干簧管的簧片觸點部分被磁力吸引，斷電開關打開，儀器關斷電源。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為了清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明權利要求的保護范圍之內(nèi)。