同步測(cè)量海水固有光學(xué)特性的高光譜剖面儀樣機(jī)設(shè)計(jì).docx

1、同步測(cè)量海水固有光學(xué)特性的高光譜剖面儀樣機(jī)設(shè)計(jì)李彩曹文熙柯天存(中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣州510301)摘要基于雙光路原理，研制出一種同步測(cè)量海水固有光學(xué)特性的高光譜剖面儀樣機(jī)。樣機(jī)用全反射管作測(cè)量吸收系數(shù)的樣品池，全吸收管作測(cè)景衰減系數(shù)的樣品池。使用高靈敏度的電荷耦合器(CCD)做光纖單色儀的光電探測(cè)器件，樣機(jī)的光譜分辨率達(dá)到1.64nmoCCD信號(hào)的積分時(shí)間由復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)和可編程計(jì)數(shù)器自動(dòng)調(diào)整。用PC104微機(jī)自動(dòng)控制數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)由無(wú)線通信器件下載。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了儀器溫量的穩(wěn)定性和可靠性。關(guān)鍵詞海水固有光學(xué)特性，高光譜，雙光路

2、，自適應(yīng)a(A)1.(時(shí))+rn04(A)。引言海水固有光學(xué)特性(IOPs)是海水的初級(jí)特性,只與水體中所含的物質(zhì)成分有關(guān)，主要包括水體的吸收系數(shù)a(A)、散射系數(shù)KA)及光束衰減系數(shù)c(A)o水體固有光學(xué)特性的測(cè)量對(duì)光輻射傳輸、水色衛(wèi)星遙感的發(fā)展及應(yīng)用、赤潮監(jiān)測(cè)以及海洋環(huán)境資源的開(kāi)發(fā)和保護(hù)等均具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值,但目前IOPs測(cè)量的精度有限,這在一定程度上限制了上述研究領(lǐng)域的快速發(fā)展。目前國(guó)外用于水體吸收或衰減系數(shù)測(cè)量的儀器不少，但這些測(cè)量?jī)x器大多數(shù)都是單獨(dú)測(cè)量:水體的吸收/衰減系數(shù)的,無(wú)法對(duì)固有光學(xué)特性進(jìn)行同步測(cè)量和閉合性驗(yàn)證;也有儀器可以同步測(cè)量水體的吸收/衰減系數(shù)(如ac9),但這

3、類(lèi)測(cè)量?jī)x均是基于多光譜23】的，無(wú)法對(duì)測(cè)量信號(hào)實(shí)現(xiàn)高光譜探測(cè)，因而可能導(dǎo)致有用信息的丟失。在我國(guó)，有關(guān)水體固有光學(xué)特性測(cè)量?jī)x的研制至今仍為空白，所有測(cè)量?jī)x器只能依賴國(guó)外進(jìn)口，不能夠形成自己的核心技術(shù)，這在很大程度上阻礙了我國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和壯大。鑒于這種情況，我們進(jìn)行了針對(duì)性的研究，研制出了基于雙光路原理的同步測(cè)量吸收/衰減系數(shù)的高光譜剖面儀樣機(jī)，它可以現(xiàn)場(chǎng)同步測(cè)量400700nm范圍內(nèi)水體吸收/衰減系數(shù)的剖面分布，有利于對(duì)結(jié)果進(jìn)行光學(xué)閉合性驗(yàn)證，光譜分辨率高達(dá)1.64nm,剖面精度為0.5m。性能測(cè)試結(jié)果表明，此樣機(jī)工作性能穩(wěn)定、可靠，且操作簡(jiǎn)便。1監(jiān)測(cè)量及測(cè)量原理由于受到海水的作用

4、，光進(jìn)入水中將衰減。引起衰減的物理過(guò)程有兩個(gè):吸收和散射。取截面為M(cm?)的狹窄的準(zhǔn)直光束單色能量流心),SW/nm)垂直入射到圖1所示的長(zhǎng)度為r(m)、體積為V的均勻水體中，當(dāng)此流沿長(zhǎng)度方向傳遞距離時(shí)，與水分子或顆粒物相互作用,一部分4(A)二卷滂被吸收，另一部分(義)=景滂被散射出光束到其它方向，剩下的部分7(A)=牒§將通過(guò)的體積透射。如果介質(zhì)中無(wú)其它*源，則有4(丈)+B(A)+r(A)=lo取q*0和Ar->0,經(jīng)積分推算可以得到：其中，q(Q它表征準(zhǔn)直光束通過(guò)海洋水體單位光程后被吸收的大小。 863計(jì)劃(2004AA604060).中國(guó)科學(xué)院科研裝備項(xiàng)目及國(guó)家自

5、然科學(xué)基金(40606011)資助項(xiàng)目。 女，1977年生，博士生,助理研究員；研究方向：海洋環(huán)境遙感，海洋光學(xué)技術(shù);聯(lián)系人,E-mail：liclaim(收稿日期:20064)7-21)同理可以得到光束體衰減系數(shù)c(A):c(A)=小(林)散射系數(shù)伙；0同樣可以通過(guò)積分得到，顯然,三者之間有如下的關(guān)系：a(A)+6(A)=c(A)(3)因此，對(duì)于給定的儀器以及確定的光程長(zhǎng)度，式(1)及式(2)可以分別表述為：a("=-%ln(就j)c=-%ln(胎)其中,%、m是儀器常數(shù)，只與儀器結(jié)構(gòu)有關(guān)，由定標(biāo)確定;而D/A)、0(義)、仇(入)分別為光電探測(cè)器探測(cè)到的入射光信號(hào)、衰減光信號(hào)以及

6、吸收光信號(hào)的量化結(jié)果。對(duì)于確定的光程長(zhǎng)度r來(lái)說(shuō)，只要測(cè)定了相應(yīng)的D,(A)、DC(A)、Da(A)就可以計(jì)算出水體的a(A).c(A),進(jìn)而可以根據(jù)關(guān)系式(3)確定水體的散射系數(shù)MA)O鑒于剖面儀的使用環(huán)境及使用方法。設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須考慮以下一些關(guān)鍵技術(shù):吸收/衰減樣品池的設(shè)計(jì)、儀器測(cè)量核心單元一光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、儀器對(duì)不同水質(zhì)的自適應(yīng)能力以及現(xiàn)場(chǎng)采樣數(shù)據(jù)的自容式存儲(chǔ)及輕松下載等。2儀器設(shè)計(jì)2.1儀器總體結(jié)構(gòu)及其光學(xué)系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的測(cè)量海水吸收/衰減系數(shù)的高光譜測(cè)量?jī)x樣機(jī)基于雙光路原理，即吸收系數(shù)的測(cè)量和衰減系數(shù)的測(cè)量同步進(jìn)行。吸收系數(shù)采用全反射管測(cè)量原理，而衰減系數(shù)的測(cè)量則用全吸收管完成。在同

7、步測(cè)得海水的吸收、衰減系數(shù)后，根據(jù)式(3)可以得到海水體散射系數(shù)的剖面分布。圖2所示為水體吸收系數(shù)測(cè)量單元的原理性光路圖。其中，光源、小孔和透鏡構(gòu)成平行光系統(tǒng)。平行光束經(jīng)分束板后變成兩束平行光，一束平行光由參考光探測(cè)器探測(cè),用于測(cè)量D:(A),另一束平行光通過(guò)吸收池后被吸收光探測(cè)器測(cè)量得到Da(A);假定被水體吸收之外的光全部透射并被探測(cè)器接收，可根據(jù)式(4)計(jì)算得到水體吸收系數(shù)。吸收系數(shù)測(cè)量所采用的全反射管其原理簡(jiǎn)單，但技術(shù)難度不小。有幾個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)，如要確保被水體吸收之外的光全部透射并被探測(cè)器接收到，樣品池內(nèi)壁必須是一個(gè)較為理想的全反射面，不吸收散射光;樣品池透射光被透鏡收集并耦合到光譜

8、儀的入射狹縫;光源的出射光必須是平穩(wěn)的平行光；利用光電反饋只能達(dá)到千分之一的光源穩(wěn)定性;儀器要在海上現(xiàn)場(chǎng)使用，不能夠過(guò)于龐大等?？紤]到這些技術(shù)問(wèn)題，實(shí)際設(shè)計(jì)中，選用了光纖傳輸?shù)墓饴贩桨?。該光學(xué)系統(tǒng)方案具有以下一些主要特點(diǎn)：(1)光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊；(2)采用全反射管避免了環(huán)境光的干擾，因此無(wú)需對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，同時(shí)光電信號(hào)處理電路也相應(yīng)地更加簡(jiǎn)單，增加了儀器在惡劣海洋環(huán)境下使用的可靠性；(3)采用微型光譜儀實(shí)現(xiàn)高光譜測(cè)量，測(cè)量精度和分辨率高，應(yīng)用范圍廣。圖2全反射管水體吸收系數(shù)測(cè)量的原理光路圖衰減系數(shù)測(cè)量原理與吸收系數(shù)測(cè)量:原理基本相似,最大的區(qū)別就是衰減系數(shù)測(cè)量池采用全吸收管。在確定了測(cè)

9、量的基本光學(xué)原理結(jié)構(gòu)以后，設(shè)計(jì)了如圖3所示的雙光路結(jié)構(gòu)。光源發(fā)出的光經(jīng)三叉光纖分光后輸出，其中的兩路光束由透鏡準(zhǔn)直成平行光束，分別射入吸收系數(shù)測(cè)量池和衰減系數(shù)測(cè)員池，吸收池采用全反射石英管5成，衰減池采用全吸收管5,7,在吸收池和衰減池的另一端由光纖收集透射光,并分別輸入到光譜儀中進(jìn)行測(cè)量，吸收和衰減測(cè)量池均為全封閉的流通管;另一路作為參考光信號(hào)，該信號(hào)直接由光纖送入光譜儀進(jìn)行測(cè)量（用于光源補(bǔ)償和輸入光信號(hào)的探測(cè)）?，F(xiàn)場(chǎng)工作時(shí),樣品池中的水樣通過(guò)水泵實(shí)時(shí)供給，吸收池入水口與水泵出水口相連,吸收池出水口與衰減池入水口相連，被測(cè)海水由水泵經(jīng)吸收池入水口抽入測(cè)量池，由衰減池出水口流出。光譜儀上電荷藕

10、合器件（oha遂ecoupleddevice,CCD）采集到的光電信號(hào)在PC104的控制下由光譜儀數(shù)據(jù)采集卡量化處理，該數(shù)據(jù)被送入PC104中進(jìn)行一系列的平滑、優(yōu)化處理后儲(chǔ)存在其上的CF卡中。保存在CF卡中的現(xiàn)場(chǎng)采樣數(shù)據(jù)在儀器采樣結(jié)束離開(kāi)水面后由上位機(jī)發(fā)送下載數(shù)據(jù)命令,經(jīng)無(wú)線通訊模塊下載至上位PC中作最后的數(shù)據(jù)分析和處理。儀器現(xiàn)場(chǎng)自容式工作；PC104通過(guò)對(duì)儀器所處深度的判斷實(shí)現(xiàn)儀器現(xiàn)場(chǎng)剖面采樣的自動(dòng)化控制。儀器所用光源為澳鴇燈，其光譜范圍為300-1050nm。色溫為3100K,由于漠鴇燈在短波處響應(yīng)度很低，同時(shí)，漠鈣燈輸出的能級(jí)差距太大（在400700nm內(nèi)），會(huì)給測(cè)量帶來(lái)一定的誤差（漠瞥

11、燈高能級(jí)處光電探測(cè)器已接近飽和，而低能級(jí)處測(cè)到的信號(hào)可能與暗電流處于同一級(jí)別），所以，為了提高短波的能量，在漠鉀燈的前端增加了一片升色溫濾光片，使光源的企洱提高到5300K,提高短波段的能量。儀器通電后其光源需要一段穩(wěn)定時(shí)間（5min以上），為了使光源保持穩(wěn)定，測(cè)量過(guò)程中光源要始終處在開(kāi)的狀態(tài)，為此，在光源的前端安裝一電子快門(mén)，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制達(dá)到對(duì)儀器背景暗電流的校準(zhǔn)。儀器每次采樣前先將電子快門(mén)關(guān)閉，測(cè)到儀器的背景暗電流，然后打開(kāi)電子快門(mén)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)樣品信號(hào)進(jìn)行采集，然后扣除其中背景暗電流即得到實(shí)際的樣品信號(hào)。2.2微型光纖光譜儀及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量?jī)x樣機(jī)采用微型光纖光譜儀作為光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)c微型光纖

12、光譜儀及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是測(cè)量?jī)x的一個(gè)核心單元，它的性能直接影響到最終探測(cè)信號(hào)的精度以及分辨率等。所選用光譜儀主要包括入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件（光柵）、聚焦光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器等。被測(cè)信號(hào)光由一個(gè)光纖耦合器的狹縫進(jìn)入光學(xué)平臺(tái)，經(jīng)一球面鏡準(zhǔn)直,然后由一塊平面光柵分光，經(jīng)由第二塊球面鏡聚焦到線性CCD探測(cè)器陣列上。影響光譜儀性能的一個(gè)重要參數(shù)就是光學(xué)分辨率,其定義為光譜儀可以分開(kāi)的最小波長(zhǎng)差。實(shí)際應(yīng)用中將它定義為最大峰值光強(qiáng)50%處所對(duì)應(yīng)的探測(cè)器寬度（FWHM）o要把2個(gè)光譜線分開(kāi)至少要把它們成像到探測(cè)器的2個(gè)相鄰像元上。因?yàn)楣鈻艣Q定波長(zhǎng)在探測(cè)器上可分開(kāi)的程度（色散），這對(duì)于分辨率來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的

13、變信。另一個(gè)影響光譜儀光學(xué)分辨率的重要因素就是進(jìn)入到光譜儀的光束寬度，它基本上取決于光譜儀上安裝的固定入射狹縫或入射光纖芯徑（當(dāng)沒(méi)有安裝狹縫時(shí)）。再一個(gè)決定因素就是光電探測(cè)器的分辨率，所用的光譜儀采用2048像元的高精度線陣CCD作為光電探測(cè)器，像元尺寸為25呻x200呻;光柵有效工作波長(zhǎng)范圍為300HOOnm,線對(duì)數(shù)為3001p/mm,入射光狹縫寬度為25四,由此得到光譜儀的光學(xué)分辨率約為1.64nmo影響或評(píng)價(jià)光譜儀測(cè)量性能的另外一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是雜散光和二級(jí)衍射效應(yīng)的消除功能。雜散光是非信號(hào)波長(zhǎng)的光輻射照射在探測(cè)器像元上產(chǎn)生的誤差信號(hào)。雜散光的來(lái)源主要有：（1）周?chē)h(huán)境光輻射;（2）非完美

14、光學(xué)元件所產(chǎn)生的散射光或非光學(xué)元件產(chǎn)生的反射光;（3）不同衍射級(jí)之間的重疊。應(yīng)用中將微型光譜儀的各個(gè)光學(xué)元件安裝在光密封的外殼內(nèi)以便有效地消除周?chē)h(huán)境帶來(lái)的雜散光。當(dāng)光譜儀工作在探測(cè)極限時(shí)（微弱光探測(cè)），來(lái)自于光譜儀內(nèi)部和光柵、聚焦鏡的雜散光就決定了光譜儀的最終探測(cè)極限。所選光譜儀對(duì)于光柵二級(jí)衍射光所采取的消除方法是通過(guò)在光譜儀中CCD探測(cè)器前端添加濾光片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于光譜儀而言,在確定了光譜儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)后，影響其工作性能和靈敏度的主要是探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換能力及其后續(xù)的數(shù)據(jù)處理能力，合理的CCD工作驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)處理方法是光譜儀正常、穩(wěn)定、高效工作的關(guān)鍵。圖4所示為光譜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。在數(shù)

15、據(jù)采集系統(tǒng)中，為了充分發(fā)揮CCD的光電探測(cè)功能,達(dá)到有效識(shí)別光信號(hào)的目的，一般要求將CCD視頻信號(hào)的最大幅度調(diào)整到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）滿量程的90%左右。CCD信號(hào)最大幅值的決定因素有3個(gè):CCD器件光電靈敏度、光積分時(shí)間和光照度。在選定了CCD器件后，該值僅取決于光積分時(shí)間和光照度。ccdnw信號(hào)處理電路圖4光譜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖無(wú)蝶故他暝塊上位pc機(jī)光語(yǔ)儀iu11111't11I111111111111111111深度探頭樣機(jī)將要用于不同水質(zhì)固有光學(xué)特性的測(cè)量,不同水質(zhì)對(duì)光的吸收和衰減是不同的，如果CCD器件的光積分時(shí)間固定，則光照度的變化將有可能導(dǎo)致CCD視頻輸出信號(hào)與暗電流處

16、于同-能級(jí)或過(guò)飽和。實(shí)際所希望的是，在光照度變化的情形下.應(yīng)保持視頻輸出信號(hào)最大幅值基本穩(wěn)定，這可通過(guò)光積分時(shí)間的自適應(yīng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于不同的水質(zhì)，通過(guò)調(diào)整CCD積分時(shí)間使其視頻輸出幅度最大值保持在ADC滿量程的90%左右即可。由于大洋和沿岸水體中水體混濁程度有非常大的差別，因此，需要CCD光積分時(shí)間有較大的動(dòng)態(tài)范圍乂由于儀器投放在海水中自主工作，所以，關(guān)于積分時(shí)間的調(diào)整不可能通過(guò)手動(dòng)進(jìn)行。鑒于以上原因，有關(guān)積分時(shí)間調(diào)整設(shè)計(jì)采用以下方案：（1）利用PC104上的計(jì)數(shù)器82C54進(jìn)行減計(jì)數(shù);首先利用82C54的町編程計(jì)數(shù)器2產(chǎn)生計(jì)數(shù)周期為X/晶體振蕩器頻率的方波計(jì)數(shù)脈沖,其中,X為寫(xiě)入計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)

17、初值，設(shè)計(jì)中選用82C54的工作品振為8MHz0（2）將82C54輸出的計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）（Altera公司）的一個(gè)輸入引腳送入,在CPLD內(nèi)部對(duì)其進(jìn)行分頻,首先對(duì)計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行8分頻，使其計(jì)數(shù)周期為Xxl0ns,這樣再進(jìn)行一次1024分頻,就會(huì)在CPLD的輸出端得到Xx1.024ins的計(jì)數(shù)脈沖。計(jì)數(shù)器積分時(shí)間可調(diào)步長(zhǎng)為1.024ms,積分時(shí)間從3nis到60s可調(diào)。在CPLD內(nèi)部通過(guò)AHDL語(yǔ)言與原理圖相結(jié)合的辦法實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏其它的時(shí)序信號(hào)如CCD工作驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序等也由82C54與CPLD相互組合實(shí)現(xiàn)。光譜儀上CCD視頻信號(hào)處理電路采用一單通道ADC對(duì)參考、吸收及

18、衰減3路光電信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，這就需要對(duì)送入ADC的視頻信號(hào)進(jìn)行通道選擇,多路選擇器的選通信號(hào)來(lái)自PC104軟件控制。根據(jù)所選CCD器件及其輸出視頻信號(hào)的特點(diǎn)，在對(duì)所選通的某-路CCD視頻信號(hào)進(jìn)行量化之前須對(duì)其進(jìn)行濾波、放大等前置預(yù)處理。為了提高采樣速度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用同步A/D轉(zhuǎn)換方式。同步轉(zhuǎn)換方式以其高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率適合于動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的在線測(cè)量場(chǎng)合。它要求在CCD行掃描的一個(gè)同步起始周期結(jié)束之前,CCD視頻信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程也隨之結(jié)束，也就是一個(gè)像元模擬量的A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存取時(shí)間之和應(yīng)小于CCD數(shù)據(jù)率的一個(gè)周期。由于所選CCD其最佳數(shù)據(jù)輸出速率為1MHz,故儀器設(shè)計(jì)中選用1.25Msps的

19、高速ADC對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。乂因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換速度與PCI04讀外部數(shù)據(jù)時(shí)鐘（66MHz）很難精確配合，即使PC104能讀到外部總線上的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，也會(huì)因?yàn)镻C104將大量時(shí)間花在等待讀數(shù)的過(guò)程中而造成CPU資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，降低PC104的使用效率，再加之PC104處理數(shù)據(jù)也需要一定的時(shí)間，而不能-味地等待讀取采樣結(jié)果，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用小容堇高速FIFO寄存器作為二者之間的通訊緩沖，通過(guò)中斷方式讀取數(shù)據(jù)，利用這種辦法口I以提高系統(tǒng)資源的利用率，降低通訊的誤碼率。圖4中深度探頭主要用于測(cè)量?jī)x采樣過(guò)程自動(dòng)化及剖面精度的控制。上電后測(cè)量?jī)x控制中心會(huì)實(shí)時(shí)采集、判斷當(dāng)前的深度信息,并利用它控制

20、采樣過(guò)程和采樣頻率:判斷到測(cè)量?jī)x進(jìn)入水面（即深度大于0m）時(shí)開(kāi)始采樣，通過(guò)深度控制采樣頻率，相鄰兩次采樣的深度間隔為（）.5m,儀器離開(kāi)水面（即深度不大于Om）時(shí)停止采樣。所采集數(shù)據(jù)經(jīng)PC104預(yù)處理后現(xiàn)場(chǎng)保存至其上CF卡中，上位機(jī)在剖面儀離開(kāi)水面后口J以通過(guò)無(wú)線通訊模塊輕松下載。2.3無(wú)線數(shù)據(jù)下載-般地，自容式儀器的數(shù)據(jù)可選擇兩種方式下載:打開(kāi)儀器外殼，借助其它設(shè)備讀取數(shù)據(jù)；利用電855一纜通過(guò)預(yù)先設(shè)定的協(xié)議與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)有線數(shù)據(jù)傳數(shù)。對(duì)于海上工作的儀器，這兩種方式都不方便，既增加了惡劣環(huán)境下工作人員的壓力和不便，又可能在操作過(guò)程中造成對(duì)儀器的損壞或腐蝕。鑒于此，本設(shè)計(jì)中，首次考慮采用無(wú)

21、線數(shù)據(jù)下載方式，將一臺(tái)短波設(shè)備嵌入到剖面儀內(nèi)部，另一臺(tái)與上位機(jī)相連，完成測(cè)量后，啟動(dòng)無(wú)線數(shù)傳模塊，可以方便地為用戶提供雙向數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸和控制，下載保存在CF中的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)c已有試驗(yàn)論證了該通訊方式的可靠性和可行性C3儀器定標(biāo)及性能測(cè)試3.1儀器定標(biāo)對(duì)測(cè)量?jī)x定標(biāo)的目的是將光譜儀輸出的與光強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量反演回其所代表的物理量，這也是儀器研制最關(guān)鍵的一個(gè)步驟，儀器的定標(biāo)主要包括光譜儀的波長(zhǎng)定標(biāo)以及儀器測(cè)量光強(qiáng)的定標(biāo)。已知所選用光譜儀中CCD的像元與其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)之間服從一個(gè)三次多項(xiàng)式：=/+eg+c2p+C3P其中,p為CCD像元的序數(shù)(從第0個(gè)像元開(kāi)始算起)，&為第p個(gè)像元對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)&q

22、uot;為第一個(gè)像元對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)"、1、C2、C3為波長(zhǎng)定標(biāo)中4個(gè)待定的系數(shù)。波長(zhǎng)定標(biāo)的基本原理就是通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜線在光譜儀CCD上對(duì)應(yīng)的像元的序數(shù)Pi，然后利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的回歸分析來(lái)確定上述4個(gè)待定系數(shù)。光譜儀波長(zhǎng)定標(biāo)時(shí),標(biāo)準(zhǔn)光源采用OceanOptics公司的HG-1型汞-覲燈,其光譜范圍在253922nm之間。定標(biāo)結(jié)果如表1所示。表1多通道光譜儀波長(zhǎng)定標(biāo)結(jié)果實(shí)驗(yàn)定標(biāo)系數(shù)主通道從通道1從通道2I340.1713919340.0191683339.5266067Cl0.3729369770.3781147110.376784082Cl-1.514O7e-O5-1.82293e

23、-O5-1,62443e-05Cy-2.36167.09-1.53784&09-2.01461e-09R20.999999260.9999994320.999999777測(cè)量?jī)x定標(biāo)就是確定測(cè)量原理中提到的只與儀器結(jié)構(gòu)有關(guān)的儀器常數(shù)釧和3”吸收和衰減系數(shù)的定標(biāo)是利用測(cè)量?jī)x對(duì)已知衰減系數(shù)和吸收系數(shù)的高純水進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)式(4)和(5)確定儀器常8563.2儀器性能測(cè)試為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)樣機(jī)的性能和確保儀器現(xiàn)場(chǎng)使用的可靠性.儀器正式使用之前需在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行性能分析。要測(cè)試的一個(gè)重要指標(biāo)就是儀器測(cè)量的重復(fù)性。重復(fù)性是指在相同工作條件下，儀器對(duì)同一被測(cè)量多次重復(fù)測(cè)量的結(jié)果的一致性，通常用隨機(jī)不確

24、定度表示。室內(nèi)測(cè)試過(guò)程中，使儀器的工作條件和輸入值保持穩(wěn)定，連續(xù)測(cè)量一段時(shí)間，確定殘差，并計(jì)算重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差。重復(fù)性的計(jì)算公式為:%Xi/n利用上式計(jì)算得到的成矗重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差，衰減系數(shù)測(cè)量最大標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)0.08,吸收系數(shù)測(cè)量最大標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)0.05o儀器暗電流變化特性也是衡量?jī)x器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，它直接影響儀器的測(cè)量精度。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),儀器暗電流并非常數(shù)，而是隨溫度(時(shí)間)而變的量。因此，在對(duì)儀器采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)必須先扣除其中的暗電流,這樣方得有效信號(hào),這正是在光源前設(shè)計(jì)電子快門(mén)的原因所在。4結(jié)論所設(shè)計(jì)的基于雙光路原理的高光譜吸收/衰減系數(shù)剖面儀樣機(jī)可以同步測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)水體的吸收/衰減系數(shù)的高

25、光譜剖面分布，進(jìn)而利用式(3)所示的吸收、散射及衰減系數(shù)之間的光學(xué)閉合性，同步計(jì)算出水體散射系數(shù)的剖面分布。不同深度海水的固有光學(xué)特性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量對(duì)于驗(yàn)證海洋環(huán)境遙感算法及海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展都是非常必要的C樣機(jī)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：(1) 基于高光譜，利用微型光纖光譜儀與高精度線陣CCD相結(jié)合的辦法提高儀器光學(xué)分辨力。(2) 基于雙光路原理，采用全反射管和全吸收管同步測(cè)最水體的吸收/衰減系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出水體的散射系數(shù)。(3) 具有自適應(yīng)能力，通過(guò)軟件控制CPLD及可編程計(jì)數(shù)器自動(dòng)調(diào)整CCD積分時(shí)間,使其適應(yīng)不同水體。(4) HF0緩沖器與中斷相結(jié)合解決了PC104與光譜儀數(shù)據(jù)采集卡之間速度不匹配的

26、難題。(5) 利用超短波技術(shù)下載采樣數(shù)據(jù)，減輕了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的工作壓力。(6) 深度控制實(shí)現(xiàn)儀器水下采樣自動(dòng)化控制，避免無(wú)用數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，簡(jiǎn)化儀器操作。參考文獻(xiàn)1McKeeD,CunninghamA.IdentificationandcharacterisationoftwotoxicalwatertypesintheIrishSeafrominsituinherentopticalpropertiesandseawaterconstituents.EstuarinetCoastalandShdfScience,2006,68：305-3162MlinF,BerthonJF,Zibordi

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