一种用于水下拖曳系统的吸光度传感器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种用于水下拖曳系统的吸光度传感器及其工作方法，属于海洋光学探测技术领域。

背景技术

海水吸光度是描述海水光学特性的一个重要参量，它可以直接反映海水的透光率及海水对光的衰减程度，海水吸光度可用于海洋水质监测、分析海水的物质成分及含量；海水吸光度信息对于潜艇的安全航行、水雷布放有极大的指导意义，因此，海水吸光度的探测对于生态监测、军事应用等方面有重要意义。

近年来，基于吸光度原理的原位检测系统得到了快速发展，可用于光吸收、光衰减等物理参数测量及一些化学参数检测，市场上的高端仪器几乎被国外的几家公司SeaBird、TriOSGmbh、Wet Labs所提供，其中的典型代表是C-Star透射计，C-Star透射计的优点是仪器结构简单、成本低，机械结构稳定，但是C-Star透射计是单通道测量，可测量波段少，在已有的结构基础上若想实现多通道、多波段测量，仪器的体积和重量将成比例增加，对于海水原位测量带来极大的不便。现有的国内研制的许多系统仍处于实验室或原型阶段，尚未完全开发成可直接使用的产品，且体积、重量大，成本高昂。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有仪器的测量性能方面有很大的提升立体空间，信息获取困难，无法满足海水原位测量高精度、稳定性的迫切需求。此外在光电检测器件方面，基于吸光度原理的测量仪采用光谱仪作为光电检测器件，一定程度上可以确保实现较宽波段的测量范围和仪器的高分辨率，但光谱仪外观固定，不利于仪器整体的硬件设计，且光谱仪价格昂贵，限于成本、体积、重量等因素，目前的仪器难以实现海水原位测量。国内外吸光度传感器的差距主要体现在硬件的结构设计与选择方面，传感器设备的小型化、多通道、高精度等是未来的发展方向。

因此研究出一套低成本、高精度、可实际应用的海水吸光度传感器，对于海洋生态环境，军事应用均具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于水下拖曳系统的吸光度传感器，该传感器使用紧凑型光路设计实现多通道测量，即多通道光源共用1个吸收池实现仪器的小型化和轻量化；且吸光度传感器位于拖曳链上，随着船的运动，可对测试海域海水的吸光度立体剖面进行探测；在信号收集模块，使用光电二极管探测器接收信号，数据处理配合使用FPGA的数字锁相技术实现高信噪比的吸光度信号探测，实现了传感器设备的小型化、多通道、高精度。

本发明还提供了上述用于水下拖曳系统的吸光度传感器的工作方法。

本发明的技术方案为：

一种用于水下拖曳系统的吸光度传感器，所述吸光度传感器包括光源模块、吸收池、信号收集模块、系统控制模块和上位机，

所述吸收池的一端设置有光源模块，所述吸收池的另一端设置有信号收集模块，光源模块和信号收集模块均与系统控制模块相连接，系统控制模块与上位机相连接；

所述光源模块用于发射多通道信号，光源模块包括第一准直光源和若干个第二准直光源，第一准直光源的出射光路上设置有若干个第一二向色镜，每个第一二向色镜的一侧均设置有一个第二准直光源，且第一二向色镜也位于第二准直光源的出射光路上，使得第二准直光源的出射光经过第一二向色镜后，与第一准直光源共用同一个出射光路出射光；

所述信号收集模块用于接收多通道信号，信号收集模块包括第一光电接收器和若干个第二光电接收器，第一光电接收器设置在吸收池的透射光路上，用于接收第一准直光源透过吸收池的透射光信号；第一光电接收器与吸收池之间设置有若干个第二二向色镜，每个第二二向色镜的反射光路上均设置有一个第二光电接收器，使得第二光电接收器接收第二准直光源透过吸收池的透射光信号；使得吸光度传感器实现多通道测量；

系统控制模块用于驱动光源模块发射光信号，采集信号收集模块的信号，并将采集的信号传输至上位机；

上位机基于FPGA的数字锁相技术对系统控制模块采集的信号进行处理，然后计算得到待测溶液的吸光度。

本发明提供的吸光度传感器在光源发射端采用与光源相匹配的第一二向色镜，使用紧凑型设计实现多通道准直光的发射，多个波段的LED准直光共用一个吸收池，相较于C-Star实现多通道、多波段的测量在仪器的体积及重量方面都得到了极大优化。所述光源模块由LED提供优质的准直光进行信号探测。第一二向色镜实现对应波段光源信号反射，其他波段光源信号的透射，通过合理排布可实现多通道光源同时进入吸收池且互不干扰；第二二向色镜实现对应波段信号反射，其他波段信号透射，通过对应排布可实现多通道信号同时进入对应的光电接收器且互不干扰。吸收池一般不做结构设计，便于拖曳时进行任意空间的海水吸光度测量，吸收池充满进行吸光度测量的溶液，吸收池通过拖曳系统实现对水下自由立体空间的测量。

根据本发明优选的，第一准直光源和第二准直光源均包括依次设置的LED、小孔光阑和准直透镜，所述LED的外部设置有积分腔，且积分腔的外表面设置有参考探测器，所述参考探测器与系统控制模块相连接；

进一步优选的，参考探测器为表贴型Si光电二极管探测器。

LED的发射光经小孔光阑、准直透镜后产生平行光。选用LED作为发光光源，LED作为光源的优点是寿命长、体积小、成本低。小孔光阑结构提供优质LED点光源，然后通过准直透镜获得准直光，准直光作为发射端光源进入吸收池。

在实际检测过程中，LED光源存在波动问题，通过设置积分腔和表贴型Si光电二极管探测器进行LED光源波动监测，表贴型Si光电二极管探测器作为参考探测器，在实际检测过程中，记录LED光源的波动变化，采用数据处理对最终的计算结果进行校准，以此提升传感器的测量性能与结果的准确性。

根据本发明优选的，所述上位机设置在船上，所述吸光度传感器固定在拖曳链的一端，拖曳链的另一端固定在船上，所述吸光度传感器采集的数据通过拖曳链传输至上位机中。

通过拖曳链将吸光度传感器投放至待测海域，随着船的运动，测试海域的海水流经吸收池，可实时探测测试海域的吸光度立体剖面数据，避免了使用水泵过流采样。用水泵进行过流采样一方面加大了拖曳系统的重量与体积，另一方面过流采样无法实现某一区域的实时测量。

根据本发明优选的，所述系统控制模块包括多通道AD采集单元和单片机，

多通道AD采集单元分别与光电接收器、参考探测器相连接，实现数据的实时采集，并且将采集的数据传输到单片机中；

单片机与LED相连接，单片机用于驱动LED发射光信号，多通道AD采集单元采集光电接收器、参考探测器采集的信号并传输至上位机，上位机基于FPGA的数字锁相技术对信号进行处理，再计算得到待测溶液的吸光度。

根据本发明优选的，第一准直光源和若干个第二准直光源采用不同波段的LED。

根据本发明优选的，第一光电接收器和第二光电接收器均为光电二极管探测器。

光电二极管探测器是一种优越的光学测量设备，在可见光至近红外的宽波段范围具有高灵敏度，实现与光源模块相对应的多波段测量；且光电二极管探测器相较于光谱仪，在仪器的成本和体积上都有极大的优势，也可实现高信噪比的信号接收；有利于实现吸光度传感器的小型化、多通道、高精度。

根据本发明优选的，第一光电接收器与第二二向色镜之间或第二光电接收器与第二二向色镜之间均设置有窄带滤光片和聚焦透镜，窄带滤光片的带宽为10-20nm。

在光电二极管探测器前面加窄带滤光片滤除带外杂散光，聚焦透镜将准直光束汇聚至光电二极管探测器进行信号探测。

上述用于水下拖曳系统的吸光度传感器的工作方法，具体步骤包括：

(1)系统控制模块驱动多通道准直光源发光，测量标定溶液的吸光度A

对标定溶液进行测量，这一过程也可在实验室完成，然后进行拖曳区的海水吸光度测量；

(2)通过参考探测器对LED进行同步探测，信号收集模块将光电接收器与参考探测器的信号传输到多通道AD采集单元，然后同步传输给系统控制模块的单片机，然后通过拖曳链将数据传输至上位机，在上位机中使用基于FPGA的数字锁相技术进行信号处理；

FPGA是一种低成本的大规模数字信号处理芯片，上位机以FPGA作为数据处理平台，对单片机传输的信号进行处理，FPGA可通过编程完成高精度数字锁相算法，数字锁相技术基于互相关检测原理，可将微弱的待测信号从背景噪声中提取出来，由于海水中的光场信号较弱且变化较慢，使用数字锁相技术可以很好地滤除背景光信号，实现吸光度信号的明场探测，单片机对LED光源的信号进行调制，数字锁相技术实现对调制信号的提取及解调，使用FPGA的数字锁相技术实现高信噪比的吸光度信号探测，提升了传感器的灵敏度；

(3)在上位机中，对待测溶液的吸光度进行自校正处理，得到待测溶液相对于标定溶液的吸光度AU。

根据本发明优选的，步骤(3)中，对待测溶液的吸光度进行自校正处理，具体为：

待测溶液相对于标定溶液的吸光度值AU为：

式(IV)中，m为自校正因子，

检测过程中信号收集模块通过参考探测器监测LED光源的波动信号V

本发明的有益效果为：

1.本发明涉及一种用于水下拖曳系统的吸光度传感器，在光源模块使用LED、小孔光阑、准直透镜结合二向色镜达到紧凑型光路结构，共用吸收池实现吸光度的多通道测量，即多通道光源共用1个吸收池实现仪器的小型化和轻量化；相较于C-Star透射计实现多通道、多波段测同时量，该吸光度传感器在体积和重量方面都有极大的改进，对于海洋探测仪器的小型化、轻量化有重要意义。

2.本发明涉及的一种用于水下拖曳系统的吸光度传感器，在系统控制模块对LED光源信号与光透过溶液透射的信号进行同步探测；对于光透过溶液后光电二极管探测器接收到的信号，本发明使用数字锁相技术滤除背景噪声，提升信噪比，以此得到高质量的信号，提高吸光度的测量精度；与此同时，系统控制模块通过LED光源侧面的表贴型Si光电二极管探测器对光源信号进行同步探测，通过后期的数据处理实现吸光度结果的自校正。

3.本发明涉及的一种用于水下拖曳系统的吸光度传感器，可实现海洋探测传感器系统的小型化、轻量化及高精度探测，拖曳系统可实现拖曳区的全方位实时探测，与其他传感器结合有利于获得全面的海洋水体数据，有利于推动海洋探测技术领域的发展。

附图说明

图1是本发明提供的吸光度传感器的系统结构示意图；

图2是本发明提供的吸光度传感器的光路Zemax三维仿真结构图。

1、光源模块，2、LED，3、积分腔，4、小孔光阑，5、表贴型Si光电二极管探测器，6、准直透镜，7、第一二向色镜，8、窗口保护玻璃，9、吸收池，10、信号收集模块，11、第二二向色镜，12、窄带滤光片，13、聚焦透镜，14、第一光电接收器，15、第一壳体，16、第二壳体，17、单片机，18、LED驱动控制接口，19、参考探测器信号接收端口，20、光电二极管探测器信号接收端口，21、第二光电接收器。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

一种用于水下拖曳系统的吸光度传感器，如图1和图2所示，吸光度传感器包括光源模块1、吸收池9、信号收集模块10、系统控制模块和上位机，

吸收池9的一端设置有光源模块1，吸收池9的另一端设置有信号收集模块10，光源模块1和信号收集模块10均与系统控制模块相连接，系统控制模块与上位机相连接；

光源模块1包括若干个准直光源，分别为第一准直光源和若干个第二准直光源，用于发射多通道信号，第一准直光源的出射光路上设置有若干个第一二向色镜7，每个第一二向色镜7的一侧均设置有一个第二准直光源，且第一二向色镜7也位于第二准直光源的出射光路上，使得第二准直光源的出射光经过第一二向色镜7后，与第一准直光源共用同一个出射光路出射光；；并且光源模块1封装在第一壳体15中，第一壳体15上还设置有窗口保护玻璃8，使得出射光从窗口保护玻璃8入射到吸收池9中。

信号收集模块10包括若干个光电接收器，分别为第一光电接收器14和若干个第二光电接收器21，用于接收多通道信号，第一光电接收器14设置在吸收池9的透射光路上，第一光电接收器14与吸收池9之间设置有若干个第二二向色镜11，每个第二二向色镜11的反射光路上均设置有第二光电接收器21，使得第二光电接收器21接收第二准直光源透过吸收池9的透射光信号；第一准直光源与第一光电接收器14关于吸收池9对称设置，第二准直光源与第二光电接收器21一一对应，第二准直光源与第二光电接收器21关于吸收池9对称设置；并且信号收集模块10封装在第二壳体16中，第二壳体16上还设置有窗口保护玻璃8，使得从吸收池9的透射光从窗口保护玻璃8入射到信号收集模块10中。

系统控制模块用于驱动光源模块1发射光信号，采集信号收集模块10的信号，并将采集的信号传输至上位机；

上位机基于FPGA的数字锁相技术对系统控制模块采集的信号进行处理，然后计算得到待测溶液的吸光度。

本发明提供的吸光度传感器在光源发射端采用与光源相匹配的第一二向色镜7，使用紧凑型设计实现多通道准直光的发射，多个波段的LED2准直光共用一个吸收池9，相较于C-Star实现多通道、多波段的测量在仪器的体积及重量方面都得到了极大优化。光源模块1由LED2提供优质的准直光进行信号探测。第一二向色镜7实现对应波段光源信号反射，其他波段光源信号的透射，通过合理排布可实现多通道光源同时进入吸收池9且互不干扰；第二二向色镜11实现对应波段信号反射，其他波段信号透射，通过对应排布可实现多通道信号同时进入光电接收器且互不干扰。吸收池9充满进行吸光度测量的溶液，吸收池9通过拖曳系统实现对水下自由立体空间的测量。

实施例2

根据实施例1提供的一种用于水下拖曳系统的吸光度传感器，区别之处在于：

第一准直光源和第二准直光源均包括依次设置的LED2、小孔光阑4和准直透镜6，LED2的外部设置有积分腔3，且积分腔3的外表面设置有参考探测器，参考探测器与系统控制模块相连接；

参考探测器为表贴型Si光电二极管探测器5。

LED2的发射光经小孔光阑4、准直透镜6后产生平行光。选用LED2作为发光光源，LED2作为光源的优点是寿命长、体积小、成本低。小孔光阑4结构提供优质LED2点光源，然后通过准直透镜6获得准直光，准直光作为发射端光源进入吸收池9。

在实际检测过程中，LED2光源存在波动问题，通过设置积分腔3和表贴型Si光电二极管探测器5进行LED2光源波动监测，表贴型Si光电二极管探测器5作为参考探测器，在实际检测过程中，记录LED2光源的波动变化，采用数据处理对最终的计算结果进行校准，以此提升传感器的测量性能与结果的准确性。

吸光度传感器固定在拖曳链的一端，拖曳链的另一端固定在船上，吸光度传感器采集的数据通过拖曳链传输至船上的上位机中。

通过拖曳链将吸光度传感器投放至待测海域，随着船的运动，测试海域的海水流经吸收池9，可实时探测测试海域的吸光度立体剖面数据，避免了使用水泵过流采样。用水泵进行过流采样一方面加大了拖曳系统的重量与体积，另一方面过流采样无法实现某一区域的实时测量。

系统控制模块包括多通道AD采集单元和单片机17，

多通道AD采集单元分别与光电接收器、参考探测器相连接，实现数据的实时采集，并且将采集的数据传输到单片机17中；

单片机17与LED2光源相连接，单片机17用于驱动LED2光源发射光信号，对多通道AD采集单元采集的数据进行处理，并传输至上位机进行处理，从而得到待测溶液的吸光度。

其中，LED2光源通过LED驱动控制接口18与单片机17相连接，参考探测器通过参考探测器信号接收端口19与多通道AD采集单元相连接，光电二极管探测器通过光电二极管探测器信号接收端口20与多通道AD采集单元相连接；

光源模块1包括至少两个准直光源，每个准直光源采用不同波段的LED2，实现多波段吸光度信号测量；信号收集模块10包括至少两个光电接收器。

第一光电接收器14和第二光电接收器21均为光电二极管探测器。

光电二极管探测器是一种优越的光学测量设备，在可见光至近红外的宽波段范围具有高灵敏度，实现与光源模块1相对应的多波段测量；且光电二极管探测器相较于光谱仪，在仪器的成本和体积上都有极大的优势，也可实现高信噪比的信号接收；有利于实现吸光度传感器的小型化、多通道、高精度。

第一光电接收器14与第二二向色镜11之间及第二光电接收器21与第二二向色镜11之间设置有窄带滤光片12和聚焦透镜13，窄带滤光片12的带宽为10-20nm。

在光电二极管探测器前面加窄带滤光片12滤除带外杂散光，聚焦透镜13将准直光束汇聚至光电二极管探测器进行信号探测。

实施例3

根据实施例2提供的一种用于水下拖曳系统的吸光度传感器，区别之处在于：

本实施例中，光源模块1包括三个准直光源，分别为第一准直光源和两个第二准直光源，信号收集模块10包括三个光电接收器，分别为第一光电接收器14和两个第二光电接收器21，且第一光电接收器14接收第一准直光源出射光经过吸收池9后的透射光信号；第二光电接收器21接收第二准直光源出射光经过吸收池9后的透射光信号；

吸光度传感器能够实现三通道测量溶液的吸光度值。

本发明提供的一种用于水下拖曳系统的吸光度传感器，体积大约在20cm×4cm×6cm，其中吸收池9长为10cm，且吸收池9下方的空间可配合其他传感器共用于拖曳系统，实现更全面的海洋水体数据测量；经稀释实验验证，本发明提供的吸光度传感器精度可达0.0006A.U。

实施例4

实施例1-3任一个提供的一种用于水下拖曳系统的吸光度传感器的工作方法，具体步骤包括：

(1)系统控制模块驱动任一个通道中的准直光源，测量标定溶液的吸光度，然后将拖曳区的海水作为待测溶液，在吸光度传感器中测量待测溶液的吸光度；

对标定溶液进行测量，这一过程也可在实验室完成，然后进行拖曳区的海水吸光度测量；

(2)通过参考探测器对LED2光源信号进行同步探测，信号收集模块10将光电接收器与参考探测器的信号传输到多通道AD采集单元，然后同步传输给系统控制模块的单片机17，然后通过拖曳链将数据传输至上位机，在上位机中使用基于FPGA的数字锁相技术进行信号处理；

FPGA是一种低成本的大规模数字信号处理芯片，数字锁相技术基于互相关检测原理，可将微弱的待测信号从背景噪声中提取出来，由于海水中的光场信号较弱且变化较慢，使用数字锁相技术可以很好地滤除背景光信号，实现吸光度信号的明场探测，使用FPGA的数字锁相技术实现高信噪比的吸光度信号探测，提升了传感器的灵敏度；

(3)在上位机中，对待测溶液的吸光度进行自校正处理，得到待测溶液相对于标定溶液的吸光度AU；具体过程为：

吸光度A的定义为：

式(I)中，V

标定溶液的吸光度A

式(II)中，V

待测溶液的吸光度A

式(III)中，V

待测溶液相对于标定溶液的吸光度值AU为：

式(IV)中，m为自校正因子，一般地，所选标定溶液的透射信号V

检测过程中信号收集模块10通过参考探测器监测LED2光源的波动信号V