[發明專利]一種水中微小顆粒三維體散射函數的測量系統及方法

有效

• 申請號: 201110363604.9
• 申請日: 2011-11-16
• 公開（公告）號: CN102519848A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 李微;楊克成;夏珉;韓晨
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N15/00
• 分類號: G01N15/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李佑宏

技術領域

本發明屬于光學測量領域，具體涉及一種水中微小顆粒三維體散射函數的測量系統及應用該系統的測量方法。

背景技術

海洋是人類賴以生存和發展的空間，蘊藏著極其豐富的自然資源，研究并良好地利用海洋將成為人類生存發展的必然選擇。尺寸分布在100nm～1000μm的浮游植物屬于懸浮粒子，是海洋生物鏈和海水水體的重要組成部分，地球50％的氧氣有浮游植物光合作用產生，它的種類，尺寸分布等對水質及生態平衡具有重要意義。水體中懸浮顆粒的體散射函數(VSF)是水體的固有光學特性，它描述了水體中光散射的方向性，是了解水體光輻射傳輸的基礎。通過測定海水中微小顆粒的體散射函數，就可得到其體散射系數及散射相函數等光學特性參數。這些參數對于海洋浮游生物檢測及環境監測十分重要，同時，可依據散射理論，推算和反演相應顆粒的粒徑。

目前，對水體，特別是水下顆粒的體散射函數實際可行的測量方法還很少，這主要是由于無法直接對其進行測量。同時，由于水下顆粒體散射具有很強的方向性，其散射主要集中在前向散射角度上，對單一顆粒而言，在0°～180°散射角度范圍內，顆粒散射強度分布跨度很大，強度量級差可達到5～6個數量級以上，此外，由于顆粒粒徑與散射特性的關系，對不同粒徑顆粒，同一散射角度上的散射強度也會有較大變化，這對所使用到的探測器的動態范圍和靈敏度提出了很高的要求。要實現對一定粒徑范圍下的顆粒進行大散射角度范圍的體散射函數測量必須解決上述問題。已有的水中顆粒體散射函數的測量方法，一種以03年研制成功的多譜體散射函數測量儀(MVSM)為例，它通過針對不同散射角度范圍水體體散射的特點和測量困難點采用多種方案，特點是將樣品池部分架設在一旋轉平臺之上，并同一探測器繞平臺360°旋轉的方式工作，可實現對平臺平面內任一角度上體散射函數的測量，但由此無法保證測量的同步性，即對不同角度的同時測量，同時測量周期過長，無法滿足于實際環境快速測量的要求。另如由WETLabs研發的多角度散射光學儀(MASCOT)，通過在同一圓周多個方向上分別設置探測器進行探測，可實現同時對多個分離的單一角度散射光的體散射函數測量，但此方法測量精確度取決于所選擇的各探測器的實際性能，不同探測器探測效果的差異對計算結果的影響無法避免。同時，考慮到顆粒的形狀對其散射特性的影響，僅實現對平面內一維體散射函數進行測量無法準確表征顆粒的散射特性，因此，有必要提出一種能夠實現同步完成空間中顆粒的三維體散射函數測量的方法和實際系統。

發明內容

本發明的目的是提供一種水中顆粒的三維體散射函數測量系統，該方法測量速度快，可測樣品顆粒的粒徑范圍大。本發明還提供了一種基于該光學測量系統的測量方法。

本發明所提出的三維體散射函數測量系統，包括：拋物球面反射鏡，樣品池，望遠透鏡組，光電探測器和計算處理單元，所述樣品池設置于拋物球面反射鏡的鏡腔內，其中心部分位于拋物球面反射鏡鏡腔的拋物球面焦點處，入射光經整形和功率調整后會聚于拋物球面反射鏡的鏡腔焦點位置，經樣品池內進行顆粒散射后入射到的拋物球面，變換為平行散射光，再通過所述望遠透鏡組調整束寬后，由光電探測器接收，并將接收的散射光光強信息轉換為電信號傳遞至計算處理單元進行處理后，即可測量得到顆粒的三維體散射函數。

所述的激光器，可提供單模連續輸出功率穩定的激光。

所述的拋物球面反射鏡，內腔為向上開口的拋物球面，材料為反射率很高的金屬材料，側端壁上有兩通孔與球面焦點共線，盛有顆粒的樣品池豎直固定于內腔內，中心部分位于拋物球面焦點處，激光通過一端壁上通孔入射內腔和樣品池，池內顆粒發生散射后，未發生散射的入射光通過另一端通孔出射反射鏡內腔，由池中心呈發散式的射向拋物球面的散射光經過反射，變換為向內腔開口方向傳播的平行光束。

所述的光電探測器為面陣CCD或CMOS圖像傳感器，該傳感器具有一定動態范圍。

在本發明測量系統中，探測器接收的是平行散射光，因此面陣光電探測器是作為能量采集單元而非成像單元，面陣光電探測器可通過其驅動電路將散射光信息轉化為散射圖案，由計算機做相關處理。由于探測器動態范圍固定，在水平光路上加入非線性衰減片可手動調整入射光的強度，使探測器可工作在線性區，避免飽和。對樣品池，當溶液中顆粒濃度足夠小時，顆粒之間的多次散射可忽略不計，而受光源光束照射的溶液液體的散射可視為顆粒的單次散射線性之和，由此實際出射樣品池的散射光可以體現單一顆粒的散射特性。