海水光谱吸收/散射系数测量仪的研制

1 引 言

    由于海水的吸收和散射很小, 因此意味该装置必须具备高分辨和高精度的能力。这是研究中的难点, 另外它是室外现场测试仪器, 其结构不能过于复杂, 这将体现出该装置的特点即为实时瞬态测量设备, 以克服环境和测试条件的多变性带来的影响。

2 原理和结构

2.1 海水固有光学特性

    海水固有光学特性包括水体的吸收系数、散射系数。考虑一厚度为 Δr、体积为 ΔV 的水体被一束平行单色光照射, 单色辐射通量为 Φ_i( λ) , 如图 1 所示。假设其中被水体吸收的辐射通量为 Φ_a( λ) , 沿所有角度散射的总辐射通量为 Φ_s( Ψ, λ) , 最后沿入射方向穿过水体的辐射通量为 Φ_t( λ) , 同时假设散射过程是弹性散射, 即散射光的波长没有改变, 则根据能量守恒定律, 有:

    在实际中, 光在媒介中的散射分布函数, 至今尚不十分完善, 测定光散射的装置也非常复杂, 不适宜于野外现场使用。鉴于此, 我们采用方法②。

2.2 衰减系数 c(λ)的测量和装置

    根据 Beer- Lamber 定律, 有:

Tc( λ) 为光谱透射比, L 为液池长度。由于 L 是长度量, 测量不确定度达 10^-7m, 因此衰减系数的测量归结于在特定条件下, 水体的光谱透射比 Tc( λ) 的测量。

    光谱透射比的测量, 对于透明固体其方法已非常成熟。对液体和气体, 由于它们没有固定的几何形状, 测定时必须用容器( 液池) 装盛, 这样液池材料的折射率与被测液体和空气的折射率各自有一定的差别, 将给测量带来较大的误差, 甚至于错差。为此, 我们采用比对法来测定海水的光谱透射比。其具体测量仪的框图见图 2。

    由于采用了双光路对比法测量, 这样可以消除光源发光强度的不稳定和液池窗口石英片存在带来的影响。

    本装置中有待说明的几个器件:

    ①光源: 在野外由于能量的严格限制, 我们采用15W 溴钨灯作光源。通过采用多片滤光片组合, 使测量波带区的讯噪比达到 500∶1 以上。

    ②液池: 为了使被测水体散射的光量不再进入原光束中来, 达到真正测定的透射光量为水体衰减后的光量, 故液池壁的材料采用黑色的塑料管( 内表面非镜面) , 它的表观反射比为 5%以下。这样被水体散射的光量经液壁多次反射而被吸收。

    ③光束的接收部分: 由限束光栏和会聚透镜’0.1 孔径的光缆组成, 其视场角为 0.15°。故前散射光量进入接收的透射光量中可忽略。由于②③项措施, 所以保证衰减系数 c( λ) 为真值。