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海洋光学仪器






时间:2009-03-14 23:24来源: 作者: 点击:

核心提示: 海洋光学仪器(卷名:大气科学 海洋科学 水文科学) marine optical instruments 测量海洋光学性质的仪器。它可分成两类:①测量海水固有光学性质的仪器。因为固有光学性质不受环境条件的影响,可采样在实验室中测量,也可在现场测量,故这类仪器又分为实验室


海洋光学仪器(卷名:大气科学 海洋科学 水文科学)
marine optical instruments

  测量海洋光学性质的仪器。它可分成两类:①测量海水固有光学性质的仪器。因为固有光学性质不受环境条件的影响,可采样在实验室中测量,也可在现场测量,故这类仪器又分为实验室仪器和现场测量仪器两种。②测量海水表观光学性质的仪器。因为表观性质都与环境有密切的关系,故必须在现场观测。
  简史  早在19世纪初,已开始用白色透明度盘确定自然光在海水中的垂直衰减(沉入水下的最大可见深度)及海水的透明程度。由于这种方法简便,至今还使用它。1922年,V.E.谢尔福德和F.W.盖尔首次将光电池用于研究水中光辐射与太阳高度和水深的关系,以及透入海水中的光与海洋中的植物分布的关系。1936年,国际海洋开发委员会将海水的光透射率和垂直衰减的测定法标准化。50年代之后,光电技术的迅速发展,促使海洋光学仪器朝着深海探测、光谱分光、自动记录、微机控制和多功能的方向发展。
  测定固有光学性质的仪器  主要包括线性衰减系数测定仪(和准直光透射率仪)、测定体积散射函数的β仪、测定总散射系数的b仪。其中的β仪和b仪,都称为水中光散射仪。

  线性衰减系数测定仪  测定准直光束在海水中衰减的仪器(图1)。从光源发出的光,经准直发射系统后成为准直光束,此光束在海水中经过光程r时受到衰减,然后被光电系统接收。测出透射率Tr,可根据确定海水的线性衰减系数μ。终端显示出μ值的仪器称为线性衰减系数测定仪,显示Tr的称为准直光透射率仪。
  由于海水的线性衰减系数和波长有关,故通常在光路中进行光谱分析。根据需要,较宽的分光可用玻璃滤光片(带宽 100nm左右);较窄的可用干涉滤光片(带宽10nm左右);精度更高的分光可用棱镜或光栅作色散元件。通常可测得透射率随波长变化的连续曲线。
  透射率Tr的测量误差主要有 4部分:①由于准直接收系统具有一定的视场角,因此接收到的辐射通量中包含了一部分很强的前向小角度散射光,使测得的透射率偏大。这是透射率测量的主要误差。一般可通过合理的光学系统设计来降低这种误差。②介质的多次散射光中,有一部分进入接收系统,使测量值偏大。若光束截面较小,可消除这种误差。③机械加工精度和材料热膨胀的影响,使水中光程测量不准而产生误差。故提高机械加工精度和选用热胀系数小的合适材料,可以减小这种误差。④光源的电压不稳定或光源的老化和光电器件灵敏度变化所引起的测量误差。采用双光束比较测量,可以完全消除这种误差。在海洋光学仪器中,广泛采用比较测量的方法。
  光散射仪  一种是用来测定海水(体积)散射函数β(θ)的β仪,另一种是测量海水总散射系数b的b仪。因海水散射函数随波长的变化不大,故测量时一般不作光谱分光。

  测定的原理是(图2):从光源发出的光,经准直发射系统,变成准直光束,它射入水中时受到散射。调节仪器,使准直接收系统的视线和发射器的光束成θ角,就接收到相应于θ角的散射光,后者被光电器件转换为电信号。在θ方向接收到的一个小水体的体积辐射的散射光,与散射体积及其上的辐照度成正比,比例系数就是散射函数。由于散射光很弱,而且在不同方向上的强度变化可达 5个数量级。所以在散射仪中都采用光电倍增管作光电接收器件,以提高接收灵敏度,并作适当的信号处理。为了保证测量的精度,要求光源的发光强度在测定过程中保持稳定,并采用双光路比较测量,对散射体积随角度的变化进行实时校正。小角度散射测量,是不可缺少的散射参量。应用小角度散射仪,已测得了0.085°的散射函数值。
  为测定总散射系数b,要求测量0°~180°范围内的散射光的积分。但由于小角度散射测量的困难,b仪所测的只是10°~170°范围内的散射光的积分。实测中,不同混浊度的海水,其θ小于10°的前向散射在总散射中所占的比例不同;水中光程的衰减因水体而异,在混浊水中测量b时,必须作适当的校正。实测表明,45°方向的散射函数值与总散射系数b的比值是一个比较稳定的值,平均为 3.2×10-2,故可以通过对的测量求出总散射系数b。
  测定表观光学性质的仪器  主要包括辐照仪、辐亮度仪和辐亮度偏振仪。
  辐照度仪  海洋表观光学性质测量仪器中应用最广泛的仪器,用于测量光谱向下辐照度Ed和光谱向上辐照度Eu。通过计算可进一步得到反射比(辐照度比)
           R=Eu/Ed。
  根据辐照度的定义,为了测量光谱辐照度,必须有一个能按照余弦定律收集所有投射在接收面上的辐射的余弦集光器(图3)。接收的光辐射经光谱分光后,被光电接收器件转换为电信号。通常的仪器都配以光学的或电子学的衰减器,以适应从海面到深层的辐照度的大范围变化。

  余弦集光器一般由平面或半球状的磨砂玻璃或表面磨砂的乳白有机玻璃制成,其光谱透射率在测量波段范围内应不随波长而变。光谱分光系统可根据分光的要求,采用玻璃滤光片、干涉滤光片、棱镜或光栅。光电接收器件有硒光电池、硅光电池、光电倍增管等多种。为了准确地测量Eu和Ed,在测量中必须保持余弦集光器的水平状态,所以辐照度仪都安装在水平架上。为了测量辐照度在水中的垂直衰减,常用双辐照度仪系统。其中一个仪器测量水下辐照度,另一仪器同时测量海面上的辐照度,两者的比值与海面上辐照度的变化无关,故可消除海面辐照条件的变化而引起辐照衰减测量的误差。
  辐亮度仪和辐亮度偏振仪  主要用于海洋光学基础研究的测量。辐亮度仪用于测量各个方向的表观辐亮度。其接收系统是准直接收的光度计,限定接收很小的视场角(约10-4~10-3)的辐亮度。光度计在机械控制下沿不同方位角和俯仰角旋转,可接收海水空间4π立体角的各个方向的辐亮度。为了研究海中表观辐亮度的偏振分布,在辐亮度仪的准直接收系统之前安装有检偏器,后者可自动绕准直系统的光轴旋转,以接收不同偏振方向的辐亮度。这种仪器即为辐亮度偏振仪。
  海洋光学的测量仪器很多,除上述基本仪器外,还有量子辐照度仪和光学传递函数仪等。
  参考书目
 N.G.Jerlov,Marine Optics,Elsevier ScientificPubl.,Amsterdam,1976.
张崇善 邱永绥

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