1、第二章光纖剖面光譜儀硬件研發2.1主要設計思想2. 1. 1核心部件：1、本實驗室配有一臺用于測量外表光譜的GER1500便攜式光譜儀，詳細參數見表3：表3 GER1500光譜儀詳細參數產地主要用 途光譜范圍(nm)波段數光譜分辨率(nm)積分速度(ms)視場角 ( FOV內存美國野外350105051235604、8最大可存儲483個數據2、南京春輝科技實業提供的光纖，詳細參數見表 4: 表4光纖詳細參數光纖種類規格芯徑數值孔徑長度其它石英光纖PCS光纖0.6mm0. 3715m兩端SMA端子3、向安徽光激所采購了可見光波段范圍內反射率均接近100%勺漫反射板。2. 1. 2通過光纖采集水下

2、信號:如圖1所示，通過硬質連桿使浮子系統遠離船體(無陰影一側)，光 纖一端接入外表光譜儀，另一端經過硬質連桿進入水下，水下探頭局部所 采集的光信號通過光纖傳到船上的光譜儀中，從而實現水下剖面光譜測 量。水下剖面儀一般需要一個帶有防水罩的電子余弦積分器，我們通過接 入一根光纖省掉了這個復雜的電子余弦積分器。測量上行光信號時，上行 光通過光纖探頭直接進入外表光譜儀。見圖 2:圖2光纖探頭水下測量示意圖2. 1. 3通過漫反射板實現下行光測量：我們通過加裝一塊反射率為100%勺漫反射板來實現下行光的測量，如 圖所示：圖3加裝漫反射板實現下行光測量the plaque即pears dirty?加裝一塊

3、在空氣中反射率為100%勺漫反射板在光纖探頭下方1cm處，這樣,理論上講下行光照到白板上后，會實現向上100%8反射，其中有一定角度范圍內的光將進入光纖探頭，而由漫反射板某一角度內的輻射率，可以推出整個半球 面內的向下輻照度。由此實現了下行光的測量。為了保證不受太陽耀斑的影響， 我們將光纖探頭與豎直方向傾斜 30度，由于漫反射板的反射光是均勻地朝向整 個半球面的，所以不會影響采集光信號的正確性。2. 2設計的難點及解決方法：2. 2. 1深度控制：為了精確指示水下探頭測量時的深度，我們從北京昆侖海岸傳感技術中心購置了電纜連接液位變送器以下簡稱液位計，液位計主要參數見表5：:表5液位計參數工程廠

4、家名北京昆侖海岸傳感技術中心型號JYB-KB-LVD量程10m供電電壓24VDC輸出信號1-5V RS232 串口輸出準確度A 3KQ 電壓輸出特點激光調陰溫度補償，使用溫域寬進口擴散硅芯片，長期穩定性好 防浪涌電壓，極性反向保護 搞干擾設計，適合惡劣使用環境 功耗低，遲滯誤差 投入式設計，使用簡單 全密圭寸外殼，平安可靠 可配液晶型，指針型顯示表頭 保護電纜連接防爆等級：Exia II CT6Exib II BT4用途可用于水廠、污水處理廠、城市供水、高樓水池、水井、礦井、工業水池、水罐、油池、油罐、水文地質、水庫、河道、海洋等場所2. 2. 2光纖接入光譜儀接頭：所選用的PCS光纖芯徑大、

5、數值孔徑大也就是出射入射光開角大，所 以在光纖可以輸出足夠大范圍的信號到光譜儀的接收端。但根據光纖耦合的要求，光纖頭應盡量靠近光譜儀，以減少光信號損失，所以，并不是光斑照 到光譜儀接收端就可以了，而是要在光斑完全覆蓋光譜儀信號米集端的前提 下，光纖盡可能地接近光譜儀光柵，由于 GER公司沒有適宜的配件，所以 自行加工一個接頭，連接光纖與光譜儀。光纖輸出端為 SMA端子，光譜儀 入射端為一非標準的內螺紋孔，所以加工一個全部外螺紋的接頭如圖1所示，兩端尺寸一端適合光纖的SMA端子，另一端適合光譜儀的入射端非標 螺紋，中間為中空，中空直徑與光纖頭直徑相匹配，在接頭材料的選擇上， 考慮不銹鋼在海上仍然

6、會生銹，且硬度過大，與兩端很難旋合緊，所以采用 純黑色塑鋼同時純黑色可以防止接頭內部反射對光纖信號造成污染。當兩 端都旋緊時，可以實現光纖與光譜儀的最正確耦合，此時光纖探頭與光譜儀接 收端距離最近且不漏光。圖4光纖與光譜儀接頭2. 2. 3實現漫反射板自動切換利用減速齒輪馬達轉速低、旋轉力量大的特性，在減速齒輪馬達的轉軸上裝一連桿，將漫反射板以與轉軸相切的方向固定于連桿上，見圖5。這樣，當減速齒輪馬達接入電源時，漫反射板可以實現水平面內做圓周旋轉， 實現漫反射板在 光纖前自動切換的目的，并且，反向通電時，因為馬達是直流電機，所以可以實 現逆向回轉，這樣通過使用時間繼電器控制馬達的通電時間和電流

7、方向，可以實現白板在一定范圍、一定角度內的在光纖探頭前自由切入、 切出。考慮在水下使 用，加工一個罩子罩在馬達外面，轉軸處安裝水封，確保馬達在水下工作時不會 進水。圖5減速齒輪馬達與白板2. 2. 4 0m海基準面的控制在海上做實驗時，實際上船的擺動是不與大海完全同步的，也就是說，放光 纖出去，光纖探頭總是在水下隨著波浪上下起伏，而我們的設計方案就決定 了我們不可能在同一時間同時測量上行光和下行光，這樣就有可能導致上行 光和下行光測量并不是在同一個水深上。為了實現測量時測量水層的相對深 度不變，我們自己加工了一套浮子系統，浮子隨海面上下漂動，即浮子為Om 層，以浮子為基準向下釋放時可以實現測量

8、層與Om層的深度變化盡可能小0.03m，從而實現高深度精度分辨率0.1m的目的。綜合考慮了各方面的要求，浮子系統主要連接局部由8mm實心不銹鋼制成，這樣雖然在重量有會有所增加，但不銹鋼硬度、強度大，可以盡可能地使三 個浮子遠離中心以免造成陰影影響，同時又不會因為具有彈性太大而導致失去Om的指示作用。中間連接處制成“ U型，以便盡可能地減小自陰影，每支腳長度0.6m,支腳和浮球都可拆卸折疊，方便攜帶。圖6浮子系統2. 2. 5水下探頭角度控制水下光譜測量，必須始終指向同一水平方向，且不能受到自陰影的干擾， 為了保證光纖探頭指向確實定性及不被自己的陰影覆蓋，就必須保證光纖探頭在水平方向上的分量始終

9、指向與太陽入射方向垂直的方向。因為海水是運動著，所以我們在中軸線上加一橫向伸出的橫桿， 橫桿上加裝一面方 向可調的小舵，由于水流的沖擊，使舵總是指向流的運動方向，見圖7。因此通過調整舵與光纖探頭的夾角，就可以實現光纖探頭總是指向同一方 向，雖然流向，太陽入射方向，自陰影方向三者并不好協調，但總可以找 到一個適宜的角度來滿足以上要求。圖7加裝尾舵實現水下角度控制2. 2. 6水下探頭姿態控制由于水下局部光纖及電纜較輕，所以只要在水下探頭局部適當地加一點配 重就可以保證水下探頭局部在水下始終處于豎直狀態。事實上，本構架全部采用6mm的不銹鋼制作，經實地實驗，在不加配重的情況下，除較強 的流外，水下

10、探頭局部與豎直方向夾角小于 10度。2. 2. 7水下光纖探頭限定入射角在廠家訂購光纖時，同時定購了一鏡頭配件，用于限定入射光纖探頭的視 場角，但由于鏡頭不防水，故我利用針筒在鏡頭內部注入純潔水以平衡內 外壓強，并用黑色玻璃膠將可能漏水局部堵牢以實現防水功能。由于注水后鏡頭內部折射率發生變化，故重新調整凸透鏡與光纖探頭的距離，使外 界平行光入射透鏡后，會聚于光纖探頭一點。通過這些調整，簡單實現了 防水鏡頭，在同為采集平行光信號的情況下，鏡頭起了增大信號的作用。2. 2. 8漫反射板的選擇根據安徽光激所的信息，反射率較小的漫反射灰板一般是在外表均勻涂撒 黑色炭粉，以實現反射率降低，但這種結構無法

11、保證屢次下水后仍保持相 同的反射率，而100%反射率的漫反射板由特殊材料一氣制成，不存在不 能入水的問題，而且每次入水后用高壓淡水進行沖洗后，可屢次重復使用，并能保證反射率不發生變化，所以最終選定 100%反射率的漫反射板。2. 2. 9天空光變化加拿大Satlantic公司生產的水下光譜儀SPMR還配有一個外表輻射儀SMSR,當SPMR在水下工作時SMSR同步測量水面上的天空光變化 情況，我們假定在短時間內3分鐘內，天空穩定，故而舍棄掉同步測 量水面上天空光信號局部，因些也就限定了本套剖面光譜儀必須在天空光 穩定的條件下才可正常使用。2. 2. 10光纖選擇水體入射光譜中只有可見光400nm

12、-760nn才透射入水，其它波段的入 射光或被大氣吸收或被海水表層吸收 3小結PCS光纖售價約為50元/米，漫反射板約所花費1000元，液位計帶串口輸 出約花費1200元，GER1500光譜儀的購置在2002年花費了不到20萬元，部 件材料及加工費用小于500元，且制造容易，一般的加工車間均可制作，由此可 以看出，整套設備所需花費小于 20萬元外表光譜儀、液位計、漫反射板等產,所以中選取能夠應用于水體光譜 測量的光纖時必須主要考慮其在 400nm-760nn波段內的表現。光纖領域內 常見的通訊光纖芯徑小，導致其在水下可接收的入射輻射通量 F，瓦特 往往低于外表光譜儀CCD勺檢測下限，因此必須選

13、擇特種光纖。我們主要 對兩種石英光纖、以及不同芯徑的光纖對水體光譜測量的影響進行比擬。通過對水體光譜的實地測量，發現芯徑 0.6mm數值孔徑NA0.37的PCS 光纖，在對水體而言關鍵的350-550nm之間損耗較小，相對于鏡頭測量值 曲線相似性較好，光纖接入光譜儀的實測值能夠到達原配 4度視場角鏡頭 測量值的20%,而0.4mm的PCS光纖以及大芯徑光纖，分別只能到達鏡頭 測量值的15唏口 5% 10m長度的0.6mm芯徑PCS光纖彎折后半徑30cm 仍能夠到達鏡頭信號的15%可以符合光譜測量的要求。詳見附錄 1。2. 2. 8數據因為得到數據后我們所關心的水下反射率 R、漫衰減系數K在計算時都除以 了角度，均為相對值，所以不需要再對數據進行校正。品繁多，可根據自己需要選購其他公司產品，價格可調整，相對于動輒百萬的大型剖面光譜儀而言具有較高的性價比。it is not fair to compare the en tire systemwith the commercial profiler, because the only extra cost