海水葉綠素垂直分布濃度的遙測系統的製作方法
2023-07-15 20:48:26 2
專利名稱：海水葉綠素垂直分布濃度的遙測系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學電子測量領域，具體涉及一種海水葉綠素垂直分布濃度的遙測系統。
背景技術：
葉綠素濃度是反應海洋浮遊植物密度的一個重要指標，通過對水中葉綠素濃度的測量可以監視赤潮和水質環境狀況。此外，葉綠素濃度的含量還可以作為估算海洋初級生產力的重要依據。海水葉綠素濃度測量主要有定點取樣實驗室測量、現場連續走航測量和大面積遙感測量。 定點取樣測量具有取樣困難、實時性差、周期長等缺點。現場連續走航測量和大面積遙感測量能進行實時測量，其中，現場連續走航測量利用船隻拖曳探頭實現測量，這種測量方式需將頭部裝有探頭的光纖伸入海洋底部進行測量，雖然能將探頭伸入不同深度，做出葉綠素垂直廓線，但由於依賴光纖傳遞信號，給測量帶來不便；而大面積遙感測量雖然可以實現快速、高精度、大面積測量海洋表層葉綠素濃度，但對垂直方向不同深度的葉綠素測量具有一定的局限性。目前，雷射誘導螢光法在水體葉綠素濃度測量方面得到了應用，這種方法是利用雷射照射水體，激發水體中葉綠素分子發射螢光信號，接收螢光信號後對其進行分析得出水體葉綠素的濃度。
發明內容
為克服現有技術的不足，本發明目的在於提供一種海水葉綠素濃度的遙測系統，它不僅能解決海水葉綠素濃度在垂直方向上的分布問題，同時具有方便、快速、實時測量的特點。本發明提出的一種海水葉綠素垂直分布濃度的遙測系統，包括雷射光源I、調製器2、發射望遠鏡3、接收望遠鏡4、濾波器5、光電轉換器6和數據處理系統7,雷射光源I的出光口對準調製器2的進光口，調製器2的出光口對準發射望遠鏡3的進光口，發射望遠鏡3的出光口對準接收望遠鏡4的進光口，接收望遠鏡4連接濾波器5，濾波器5連接光電轉換器6,光電轉換器6將濾波器5輸出的光信號轉換為電信號,光電轉換器6連接數據處理系統；其中
所述發射望遠鏡3由可移動凸透鏡8和固定凸透鏡9組成，可移動凸透鏡8的出光口對準凸透鏡9的進光口，可移動凸透鏡8和固定凸透鏡9的光軸放置在同一直線上，可移動凸透鏡8固定沿此直線運動；
所述接收望遠鏡4由一小型凹面鏡10和環形凹面鏡11組成，環形凹面鏡11面向海水表面安裝，小型凹面鏡10面向環形凹面鏡11安裝，小型凹面鏡10與環形凹面鏡11間的距離為兩者焦距之和。
本發明中，所述的雷射光源I採用脈衝雷射器。本發明中，所述的調製器2將入射雷射進行帶寬調節。本發明中，所述的發射望遠鏡3由可移動凸透鏡8和固定凸透鏡9組成。可移動凸透鏡8和固定凸透鏡9的光軸放置在同一直線上，可移動凸透鏡8沿此直線運動，從而改變可移動凸透鏡8與固定凸透鏡9之間的距離。由凸透鏡成像原理可知
上+丄=士，其中，為物距，為像距，,為凸透鏡的焦距。平行光束經過可移動凸透鏡後UVJuVJ
會聚在其焦點上，並射向固定凸透鏡，光線經過固定凸透鏡後再次會聚。由凸透鏡成像原理可知，可移動凸透鏡焦點與固定凸透鏡中心點的距離為物距< 固定凸透鏡中心點與最終光線會聚點的距離為像距V，由於物距的倒數與像距的倒數之和等於焦距的倒數，因此發射望遠鏡可以通過調節可移動凸透鏡的位置，即通過改變可移動凸透鏡與固定凸透鏡之間的距離，從而改變物距以,進而改變固定凸透鏡出射光線的會聚點。本發明中，所述的接收望遠鏡4由一小型凹面鏡10和環形凹面鏡11組成。環形·凹面鏡11面向海水表面安裝，將反射回的螢光信號進行會聚，將另一小型凹面鏡10面向環形凹面鏡11安裝，小型凹面鏡10與環形凹面鏡11間的距離為兩者焦距之和，使會聚的螢光信號經小型凹面鏡放射會變為平行光，平行光透過環形凹面鏡中心的圓孔出射。本發明中，所述的濾波器5採用帶通濾波器，除去接收光中除了葉綠素分子螢光信號以外的水分子喇曼散射信號和其它藻類或有機物激發的螢光信號，使輸出光波長接近685nm。本發明中，所述數據處理系統7主要用於計算和調節可移動凸透鏡位置，分析螢光反射信號。在雷射發射前，數據處理系統根據指定入射深度，計算得出可移動凸透鏡與固定凸透鏡間的距離，並發出指令使可移動凸透鏡移動至指定位置。雷射光源發出雷射束時，數據處理系統開始計時，並根據指定入射深度計算此深度螢光信號返回的時間。到此時間時，數據處理系統分離出最強的螢光信號，對螢光信號光譜進行分析，根據螢光光譜峰值高度和葉綠素濃度的線性關係，得出海水指定入射深度處的葉綠素分子的濃度。本發明的技術效果如下可以實現快速實時測量；可以通過調節發射望遠鏡內可移動凸透鏡和固定凸透鏡之間的相對位置，改變發射望遠鏡出射雷射的會聚點位置，從而得到垂直方向上發射望遠鏡量程內任意深度和葉綠素濃度之間的關係。
圖I為本發明工作原理示意圖。圖2為接收望遠鏡原理圖。圖中標號1是雷射光源，2是調製器，3是發射望遠鏡，4是接收望遠鏡，5是濾波器，6是光電轉換器，7是數據處理系統，8是可移動凸透鏡，9是固定凸透鏡，10小型凹面鏡，11環形凹面鏡。
具體實施例方式下面通過實施例結合附圖進一步說明本發明。實施例I :如圖1，數據處理系統7根據所指定的入射深度計算得出發射望遠鏡3中可移動凸透鏡8與固定凸透鏡9之間的距離，並調節可移動凸透鏡8至指定位置。雷射光源I發出波長為532nm的雷射，通過調製器2進行帶寬調製，平行雷射束通過發射望遠鏡3射入大海。雷射束在設定入射深度處會聚，激發海水中的葉綠素髮出685nm的螢光信號，接收望遠鏡4將發射回來的螢光信號進行會聚，通過濾波器5濾波，除去接收光中除了葉綠素分子螢光信號以外的水分子喇曼散射信號和其它藻類或有機物激發的螢光信號，接著，波長為685nm的葉綠素螢光信號經過光電轉換器6轉換為電信號，進入數據處理系統進行數據處理。數據處理系統7在雷射光源I發出雷射束時開始計時，並計算出所設定的入射深度激發的螢光信號返回的時間，在相應的時間，數據處理系統7分離出最強的螢光信號，對螢光信號的光譜進行分析，根據螢光光譜峰值高度和葉綠素濃度的線性關係，得出海水指定入射深度處的葉綠素分子的濃度。發射望遠鏡3的工作原理· 如圖2，發射望遠鏡3由可移動凸透鏡8和固定凸透鏡9組成。可移動凸透鏡8的焦距為/!,平行雷射束通過可移動凸透鏡8會聚在其焦點上，可移動凸透鏡8的焦點與固定凸透鏡9間的距離為A。固定凸透鏡9的焦距為/2 ,雷射通過固定凸透鏡9後會聚在距離固定凸透鏡9 I
遠處的一點上。忽略固定凸透鏡與海水面的距離，因此此處^的值即為所指定的雷射入射海水的深度。代入凸透鏡成像公式可知1 + 1二 I ,因為是個定值，因此，數據處理系統7可
^ y j2 f
以根據入射深度要求，計算得出可移動凸透鏡8和固定凸透鏡9之間的距離。數據處理系統給出指令，使得可移動凸透鏡8和固定凸透鏡9之間的距離調節成指定值，就能滿足此裝置的入射要求。
權利要求
1.一種海水葉綠素垂直分布濃度的遙測系統，包括雷射光源(I)、調製器(2)、發射望遠鏡(3)、接收望遠鏡(4)、濾波器(5)、光電轉換器(6)和數據處理系統(7)，其特徵在於雷射光源⑴的出光口對準調製器⑵的進光口，調製器⑵的出光口對準發射望遠鏡(3)的進光口，發射望遠鏡⑶的出光口對準接收望遠鏡⑷的進光口，接收望遠鏡⑷連接濾波器(5),濾波器(5)連接光電轉換器(6),光電轉換器(6)將濾波器(5)輸出的光信號轉換為電信號，光電轉換器(6)連接數據處理系統；其中 所述發射望遠鏡(3)由可移動凸透鏡(8)和固定凸透鏡(9)組成，可移動凸透鏡(8)的出光口對準凸透鏡(9)的進光口，可移動凸透鏡(8)和固定凸透鏡(9)的光軸放置在同一直線上，可移動凸透鏡(8)固定沿此直線運動； 所述接收望遠鏡(4)由一小型凹面鏡(10)和環形凹面鏡(11)組成，環形凹面鏡(11)面向海水表面安裝，小型凹面鏡(10)面向環形凹面鏡(11)安裝，小型凹面鏡(10)與環形凹面鏡(11)間的距離為兩者焦距之和。
2.根據權利要求I所述的海水葉綠素垂直分布濃度的遙測系統，其特徵在於所述的雷射光源(I)米用脈衝雷射器。
3.根據權利要求I所述的海水葉綠素垂直分布濃度的遙測系統，其特徵在於述的調製器(2)將入射雷射進行帶寬調節。
4.根據權利要求I所述的海水葉綠素垂直分布濃度的遙測系統，其特徵在於所述的濾波器(5)採用帶通濾波器，除去接收光中除了葉綠素分子螢光信號以外的水分子喇曼散射信號和其它藻類或有機物激發的螢光信號，使輸出光波長接近685nm。
全文摘要
本發明涉及一種海水葉綠素垂直分布濃度的遙測系統，包括雷射光源、調製器、發射望遠鏡、接收望遠鏡、濾波器、光電轉換器和數據處理系統，雷射光源出光口對準調製器進光口，調製器出光口對準發射望遠鏡進光口，發射望遠鏡出光口對準接收望遠鏡進光口，接收望遠鏡連接濾波器，濾波器連接光電轉換器，光電轉換器將濾波器輸出光信號轉換為電信號，光電轉換器連接數據處理系統；所述發射望遠鏡由可移動凸透鏡和固定凸透鏡組成，所述接收望遠鏡由一小型凹面鏡和環形凹面鏡組成，本發明可以實現快速實時測量；通過調節發射望遠鏡內可移動凸透鏡和固定凸透鏡之間的相對位置，改變發射望遠鏡出射雷射的會聚點位置，從而得到垂直方向上發射望遠鏡量程內任意深度和葉綠素濃度之間的關係。
文檔編號G01N21/64GK102749313SQ20121023043
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月5日 優先權日2012年7月5日
發明者丁燁, 李安虎, 李志忠, 王偉 申請人:同濟大學