專利名稱：一種水中微小顆粒三維體散射函數的測量系統及方法
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IOOnm 1000 μ m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C⑶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。由于所使用的光電探測器截面積遠小于上述平行散射光束的橫截面積，如果直接接收光束，大部分散射光信息將無法接收，因此，在面陣光電探測器與拋物球面鏡之間加入所設計的望遠透鏡組，使原平行光束束寬壓縮至能由光電探測器完全接收。同時，考慮到未經拋物面鏡反射的散射光及其他雜光的存在，在鏡組的共焦平面上加入孔徑很小的光闌， 可濾去這些非平行入射的雜光。本發明還公開了一種水中顆粒三維體散射函數測量方法，在配制含樣品顆粒的試液，調整光路完成后，測量步驟為(1)開啟激光器1及光電探測器10，預熱激光器1至輸出功率穩定輸出。通過調整衰減片3調整顆粒入射光強度，在避免光電探測器飽和的前提下充分利用其動態響應范圍。(2)將含樣品顆粒溶液的樣品池5置入拋物鏡，散射中心與拋物鏡焦點重合，關閉實驗環境所有光源，在全黑環境下測量樣品散射光，獲取圖像，重復獲取多幀樣品散射光圖像。(3)取出樣品池5，清洗后注入去離子水，在與步驟⑵中的同等條件下獲取去離子水發生散射的散射光圖案(即背景圖案)。(4)通過計算機處理，對步驟( 獲取的多幀圖像取強度平均值作為結果R，步驟 (3)得到的背景圖案設為D，由背景圖案D修正散射光圖案R，獲得修正后的散射光圖案C， 由修正圖案分析顆粒散射光強度分布的變化。(5)根據拋物球面鏡反射原理，可得到光電探測器10每個單元所對應的拋物球面鏡上的面積元，利用面積元的幾何對應關系，由修正圖案C獲得拋物球面鏡上每單位面積所搜集到的散射光，從而進一步獲取水中顆粒的三維體散射函數分布。本發明的有益效果是克服以往探測方法和裝置只能進行顆粒在平面內一維測量的局限性，實現了對水中顆粒體散射函數的三維測量，避免了使用多個探測器探測不同角度體散射函數時存在的探測偏差問題，獲取的圖像及數據唯一性好，可對比度高，同時，本發明涉及的測量裝置工作過程中可完全固定，基本無任何移動，測量穩定性好，測速快。


圖1是本發明的光路結構示意圖。其中1.激光器2.會聚透鏡3.非線性衰減片4.拋物球面反射鏡5.樣品池 6.望遠透鏡組-物鏡7.光闌8.望遠透鏡組-目鏡9.濾光片10.光電探測器11.計算機
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。本發明三維體散射函數測量系統主要包括入射光路，接收光路，散射光強信號采集及處理模塊，所述入射光路包括激光器光源1，會聚透鏡2，非線性衰減片3，拋物球面反射鏡4，樣品池5，接收光路包括拋物球面反射鏡4，望遠透鏡組6，8，光闌7，窄帶濾光片9， 散射光強信號采集及處理模塊包括光電探測器10和計算機11，所述入射光路各元件由光具座承載，并調整使各元件共軸線，激光器1輸出激光經整形和功率調整后會聚于拋物球面反射鏡4鏡腔焦點位置，經顆粒散射，由反射鏡變換后的平行散射光通過望遠透鏡組6，8 調整束寬，由光電探測器10接收，所得散射光光強信息通過其驅動電路轉換為電信號傳遞至計算機11分析，處理。所述的激光器1，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4，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5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5，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4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10為CCD或CMOS圖像傳感器，該傳感器具有一定動態范圍。本發明方法如圖1和圖2所示，在配制含樣品顆粒的試液，調整光路完成后，測量步驟為(1)開啟激光器1及光電探測器10，預熱激光器1至輸出功率穩定輸出。通過調整衰減片3調整顆粒入射光強度，在避免光電探測器飽和的前提下充分利用其動態響應范圍。(2)將含樣品顆粒溶液的樣品池5置入拋物鏡，散射中心與拋物鏡焦點重合，關閉實驗環境所有光源，在全黑環境下測量樣品散射光，獲取圖像，重復獲取多幀樣品散射光圖像。(3)取出樣品池5，清洗后注入去離子水，在與步驟O)中的同等條件下獲取去離子水發生散射的散射光圖案(即背景圖案)。
(4)通過計算機處理，對步驟( 獲取的多幀圖像取強度平均值作為結果R，步驟 (3)得到的背景圖案設為D，由背景圖案D修正散射光圖案R，獲得修正后的散射光圖案C， 由修正圖案分析顆粒散射光強度分布的變化。(5)根據拋物球面鏡反射原理，可得到光電探測器10每個單元所對應的拋物球面鏡上的面積元，利用面積元的幾何對應關系，由修正圖案C獲得拋物球面鏡上每單位面積所搜集到的散射光，從而進一步獲取水中顆粒的三維體散射函數分布。顆粒的體散射函數是其固有光學特性，獨立于周圍的光場。在顆粒入射光和散射光構成的一維平面內，對于單色入射光而言，其定義式表達如下
權利要求
1.一種水中顆粒的三維體散射函數測量系統，包括拋物球面反射鏡G)，樣品池(5)， 望遠透鏡組(6，8)，光電探測器(10)和計算處理單元(11)，所述樣品池( 設置于拋物球面反射鏡(4)的鏡腔內，其中心部分位于拋物球面反射鏡(4)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(5)內進行顆粒散射后入射到(4)的拋物球面，變換為平行散射光，再通過所述望遠透鏡組(6，8)調整束寬后，由光電探測器(10)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(11)進行處理后，即可測量得到顆粒的三維體散射函數。
2.根據權利要求1所述的測量系統，其特征在于，該系統還包括會聚透鏡(2)和非線性衰減片(3)，所述入射光經該會聚透鏡( 和非線性衰減片( 實現整形和功率調整。
3.根據權利要求1或2所述的測量系統，其特征在于，所述望遠透鏡組(6，8)之間還設置有光闌(7)，用于濾除非平行入射光。
4.根據權利要求1-3之一所述的測量系統，其特征在于，在所述望遠透鏡組(6，8)和光電探測器(10)之間還設置有窄帶濾光片(9)，用于濾除寬光譜范圍里的雜光。
5.根據權利要求1-4之一所述的測量系統，其特征在于，所述拋物球面反射鏡(4)側端壁上開有貫通鏡腔的通孔，該通孔中心軸與球面焦點共線，入射光通過該通孔入射到拋物球面反射鏡的拋物球面焦點處。
6.根據權利要求1-5之一所述的測量系統，其特征在于，該系統還包括激光器(1)，所述入射光由該激光器(1)發出。
7.應用權利要求1-6之一所述的測量系統進行測量的方法，包括如下步驟(1)開啟激光器1及光電探測器10，預熱激光器1至輸出功率穩定輸出。通過調整衰減片3調整顆粒入射光強度，在避免光電探測器飽和的前提下充分利用其動態響應范圍。(2)將含樣品顆粒溶液的樣品池5置入拋物鏡，散射中心與拋物鏡焦點重合，關閉實驗環境所有光源，在全黑環境下測量樣品散射光，獲取圖像，重復獲取多幀樣品散射光圖像。(3)取出樣品池5，清洗后注入去離子水，在與步驟O)中的同等條件下獲取去離子水發生散射的散射光圖案(即背景圖案)。(4)通過計算機處理，對步驟( 獲取的多幀圖像取強度平均值作為結果R，步驟(3) 得到的背景圖案設為D，由背景圖案D修正散射光圖案R，獲得修正后的散射光圖案C，由修正圖案分析顆粒散射光強度分布的變化。(5)根據拋物球面鏡反射原理，可得到光電探測器10每個單元所對應的拋物球面鏡上的面積元，利用面積元的幾何對應關系，由修正圖案C獲得拋物球面鏡上每單位面積所搜集到的散射光，從而進一步獲取水中顆粒的三維體散射函數分布。
全文摘要
本發明公開了一種水中顆粒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，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，入射光會聚于鏡腔焦點位置，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，再通過望遠透鏡組后由光電探測器接收，并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。本發明還公開了利用上述系統進行測量的方法。本發明避免了使用多個探測器探測不同角度體散射函數時存在的探測偏差問題，獲取的圖像唯一性好，可對比度高，工作過程中可完全固定，測量穩定性好，測速快。
文檔編號G01N15/00GK102519848SQ20111036360
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者夏珉, 李微, 楊克成, 韓晨 申請人:華中科技大學