对称式海洋浮游藻类偏振散射多角度测量仪及其测量方法

1.本发明属于海洋光学技术领域，特别涉及一种对称式海洋浮游藻类偏振散射多角度测量仪及其测量方法。


背景技术：

2.浮游藻类是海洋食物链的基础，在海洋生态变化研究中至关重要，同时也对全球气候变化起到重要的调节作用。由于海洋浮游藻类种类及分布的复杂性，如何快速测量并区分不同海洋浮游藻类的时空分布，一直是全球海洋科学观测研究的难点。
3.海洋浮游藻类的偏振散射特征，是水下辐射传输过程的关键参数，对海洋光学遥感观测技术和理论的发展非常关键。目前海洋科考原位测量中，海洋浮游藻类偏振散射特征多是采用非对称式光学结构进行测量，而且仅能测量非偏振态情况下的散射、或单一偏振态的散射。并且非对称式光学结构难以实现角度5
°
至175
°
内散射的快速测量，同时由于前向散射的强度远高于后向散射，不同散射角度处的信号准确标定，也造成了浮游藻类偏振散射特征测量的困难。
4.因此，亟待解决现有海洋浮游藻类偏振散射测量技术中偏振信息缺失和散射角度少的局限性问题。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种对称式海洋浮游藻类偏振散射多角度测量仪及其测量方法，以解决现有海洋浮游藻类偏振散射测量技术中偏振信息缺失和散射角度少的局限性问题。
6.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种对称式海洋浮游藻类偏振散射多角度测量仪，包括一垂直设置的圆柱式海水进样室，围绕于该进样室四周的线偏振光出射器、同轴对称测量光路、电动旋转台，系统控制单元、数据采集单元和供给测量仪电源的电池舱，以及包括罩于最外层用于保护测量仪的耐压水密壳体；所述圆柱式海水进样室中轴与线偏振光出射器的出射光线、以及同轴对称测量光路主轴垂直，线偏振光出射器的出射光线与同轴对称测量光路主轴的夹角为散射测量时的前向散射角；所述同轴对称测量光路同时对圆柱式海水进样室的前向和后向散射光进行测量；所述电动旋转台用于承载并旋转线偏振光出射器和同轴对称测量光路；所述系统控制单元用于控制电动旋转台、线偏振光出射器和同轴对称测量光路；所述数据采集单元采集并存储同轴对称测量光路产生的电信号数据。
7.进一步的，所述线偏振光出射器由激光二极管和起偏器组成，所述同轴对称测量光路内设有电动波片旋转器、检偏器和光电倍增管，同轴对称测量光路内的检偏器安装在电动波片旋转器内，通过设置参数旋转检偏器的透光轴，从而获得起偏器和检偏器透光轴之间的角度变化，形成多个偏振态的测量。
8.更进一步的，所述线偏振光出射器的光波长限定在400 nm至700 nm之间，出射光
束发散角小于0.05 mrad。
9.进一步的，所述圆柱式海水进样室采用石英玻璃圆管，且进样口设于滤网，滤网孔径大于0.2微米小于200微米。
10.更进一步的，所述圆柱式海水进样室直径小于10 mm，即小于490 nm处近岸海水光学吸收厚度的5%，从而保证同轴对称测量光路所测信号主要为海水散射造成；同时，圆柱式海水进样室贯穿耐压水密壳体，与壳体之间形成密封，保证仪器内部光学和电子元件在耐压密封环境中工作。
11.进一步的，所述电动旋转台的最大旋转角度仅为90度；所述系统控制单元用于控制电动旋转台的旋转角度和速度、线偏振光出射器和同轴对称测量光路的供电电压、以及仪器整体的工作时长等。
12.进一步的，所述系统控制单元根据设定参数，控制电动旋转台的旋转速度和角度间隔、以及同轴对称测量光路中电动波片旋转器的偏转角度，同时调节线偏振光出射器和同轴对称测量光路的工作电压，从而实现线偏振光出射器出射光的强度变化，以及同轴对称测量光路内光电倍增管的增益调节。
13.进一步的，所述数据采集单元记录同轴对称测量光路中光电倍增管输出的电信号、电池舱的电压信号、以及系统控制单元反馈的仪器设定参数。
14.基于所述测量仪，海洋浮游藻类的多偏振态散射光测量方法：测量时浮游藻类颗粒在海水中呈旋转对称分布，因此，形成的光学介质具有如下偏振散射形式：其中，s
11
至s
44
为穆勒矩阵参量，s为含有浮游藻类颗粒海水的偏振散射光强；利用检偏器对该散射光的不同偏振态信号进行选择性测量：其中，a为测量常量，为入射光强，ф为检偏器的光学相位延迟；在偏振态校准之后，确定ф零值时检偏器光轴位置，然后通过旋转检偏器透光轴获得ф值变化，从而得到多个，即浮游藻类颗粒海水的偏振散射偏振态信号的选择，最后利用光电转换元件获得海洋浮游藻类的多偏振态散射光测量。
15.基于所述测量仪，海洋浮游藻类的单一偏振态散射光测量方法：首先，在无样本情况下，分别采用45
°
线偏光和右旋圆偏光，作为标准光源进行测定检偏器透光轴固定后的检偏常数a
33
和a
34
，分别得到i1和i2，如下：
从而计算得到a
33
和a
34
值；然后，放置含有浮游藻类颗粒的海水，其不同散射角度的穆勒矩阵形式如下：其中，θ为散射角度；相应的散射光强为这里，只随s(θ)的变化而变化；最后，在光电转换元件前增加波片相位延迟，从而光电转换元件能够测定的stokes分量强度，计算s(θ)，这里只计算s
11
(θ)，s
12
(θ)，s
22
(θ)，s
33
(θ)，s
34
(θ)值，不计算s
44
(θ)，该参量可以采用圆偏光进行测定，采用线偏振光测定海洋浮游藻类的散射特征。
16.本发明具有以下优点和有益效果：1、本发明所述对称式海洋浮游藻类偏振散射多角度测量仪，利用水下辐射传输原理，同时测量海洋浮游藻类的前向和后向偏振散射强度，分析海洋浮游藻类的偏振散射特性和时空分布特征。
17.2、本发明所述对称式海洋浮游藻类偏振散射多角度测量仪，具有浮游藻类偏振散射信号快速、多角度测量、易标定的特点，尤其适用于海洋浮游藻类原位测量应用。
附图说明
18.图1 为本发明的整体结构示图；图2为本发明中的光路示意图。
19.图中：1为线偏振光出射器、2为圆柱式海水进样室，3为同轴对称测量光路、4为电动旋转台，5为系统控制单元、6为数据采集单元、7为电池舱、8为耐压水密壳体。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
21.实施例：如图1所示，本实施例提供的一种对称式海洋浮游藻类偏振散射多角度测量仪，包括线偏振光出射器1、圆柱式海水进样室2，同轴对称测量光路3、电动旋转台4，系统控制单元5、数据采集单元6、电池舱7、以及耐压水密壳体8。其中，线偏振光出射器1由激光二极管和起偏器组成，形成线性偏振光出射；同轴对称测量光路3内设有电动波片旋转器、检偏器和光电倍增管，对不同偏振态的信号进行光电转换。圆柱式海水进样室2采用石英玻璃圆管，进样口处设于滤网，滤网孔径大于0.2微米小于200微米；系统控制单元5用于控制电动旋转台4的旋转角度和速度、线偏振光出射器1和同轴对称测量光路3的供电电压、以及仪器整体的工作时长等；数据采集单元6采集并存储同轴对称测量光路3产生的电信号数据。
22.为了减少测量光路对散射角度的覆盖范围，同轴对称测量光路3同时对圆柱式海水进样室2的前向和后向散射光进行测量，因此，电动旋转台4的最大旋转角度仅为90度，旋转范围为0至90度。
23.圆柱式海水进样室2的中轴，与线偏振光出射器1的出射光线、以及同轴对称测量光路3的主轴垂直，而线偏振光出射器1的出射光线与同轴对称测量光路3主轴的夹角，则是散射测量时的前向散射角θ，进而得到后向散射角 (180
°‑
θ)。
24.线偏振光出射器1内包含激光二极管和起偏器，激光二极管的出射光束发散角小于0.05 mrad，出射光束经起偏器后形成线性偏振光束，水平线偏振光束的stokes向量形式如下：（水平线偏振）或
ꢀꢀ
（45
°
线偏振）其中，io为激光二极管的出射光强，i
inc
为线偏振光出射器1的最终出射光束。
25.同轴对称测量光路3内的检偏器安装在电动波片旋转器内，通过设置参数旋转检偏器的透光轴，从而获得起偏器和检偏器透光轴之间的角度变化，形成多个偏振态的测量。检偏器的理论形式如下其中，ф为检偏器的光学相位延迟。
26.为了确保测量光束能够有效穿透海水样本，并对应海洋光学遥感的测量需求，线偏振光出射器1的光波长限定在400 nm至700 nm之间。同时，圆柱式海水进样室2直径小于10 mm，即小于490 nm处近岸海水光学吸收厚度的5%，从而保证同轴对称测量光路3所测信号主要为海水散射造成。由于浮游藻类颗粒在海水中形成旋转对称分布，其对应的光学介
质偏振散射形式如下：其中，θ为散射角度，s
11
至s
44
为穆勒矩阵参量。
27.为了保证仪器内部光学和电子元件在耐压密封环境中工作，圆柱式海水进样室2贯穿耐压水密壳体8，与壳体8之间形成密封，并在海水进样室2与同轴对称测量光路3重叠区域形成有效的透光区，如图2所示。仪器测量的偏振散射强度如下：其中，η为同轴对称测量光路3的光学效率，b
sca
海水进样室2内浮游藻类群集的散射强度，r为同轴对称测量光路3的测量距离。在仪器制作中，激光二极管、起偏器和检偏器选定后，能够获得固定的i
inc
和m。同轴对称测量光路3的元件和结构确定后，η和r为仪器常量。因此仪器所测量i
sca
(θ)与海水进样室2内浮游藻类群集的散射强度b
sca
和偏振参量s(θ)有关，即获得浮游藻类的偏振散射多角度测量值。
28.系统控制单元5根据使用者设定的参数，控制电动旋转台4的旋转速度和角度间隔，以及同轴对称测量光路3中电动波片旋转器的偏转角度，来获得多个不同角度、不同偏振态的偏振散射信号。同时，系统控制单元5通过调节线偏振光出射器1和同轴对称测量光路3中光电倍增管的工作电压，来实现线偏振光出射器1出射光的强度变化，以及同轴对称测量光路3内光电倍增管的光电放大增益调节。数据采集单元6记录同轴对称测量光路3中光电倍增管输出的电信号、电池舱7的电压信号、以及系统控制单元5反馈的仪器设定参数。
29.本实施例利用同轴对称式偏振测量光路，减少海洋浮游藻类偏振散射原位测量过程中的散射角度覆盖范围，同时实现多个偏振态的快速测量。无论对于浮游藻类颗粒的多角度散射强度、还是不同偏振态情况的散射变化，都能够同时获得，从而解决了现有海洋浮游藻类偏振散射测量技术中偏振信息缺失和散射角度少的局限性问题。
30.本发明提供了一种对称式海洋浮游藻类偏振散射多角度测量仪，利用多角度散射强度和不同偏振态情况散射变化的同时测量，获得浮游藻类的光学散射特征，丰富了海洋浮游藻类原位测量中的光学特性信息，为海洋光学辐射传输理论提供更为详细的浮游藻类散射特性，有利于海洋浮游藻类的时空分布统计，有助于海洋光学遥感和生态变化研究。
31.以上所述的实施例仅用以说明本发明技术方案，而非对其进行方法限制；尽管上述实施例对本发明进行了详述，对于本领域的技术人员来说，依然可以对该实施例所述的技术方案进行修改，或对其中的部分技术特征进行等同性地替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。