薛慶生，郝錫杰，王福鵬

（中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)部 物理與光電工程學(xué)院， 青島 266100）

0 引言

海水固有光學(xué)特性的測(cè)量通過主動(dòng)方式進(jìn)行，只與海水自身的物理性質(zhì)和光學(xué)特性有關(guān)，與環(huán)境光場(chǎng)無關(guān)，包含光束吸收系數(shù)、散射系數(shù)和衰減系數(shù)等［1］。吸光度是描述海水光學(xué)特性的一個(gè)重要參量，是指一束平行光線通過海水前的入射光強(qiáng)度V0與該光線通過海水后的透射光強(qiáng)度V1比值的以10 為底的對(duì)數(shù)，即A=lg (V0/V1)=lg (1/T)（T為光束透過率），吸光度可以直接反映海水的透明度及海水對(duì)光的衰減程度，屬于水體固有光學(xué)性質(zhì)的一種［2］。研究發(fā)現(xiàn)，純水對(duì)紅光吸收最強(qiáng)，隨波長(zhǎng)增大吸收也有增強(qiáng)，藍(lán)綠光在純水中的穿透性最強(qiáng)，而近紫外光在純水中幾乎不存在吸收帶。海水吸光度受到水中物質(zhì)濃度的影響，包含水中浮游植物、溶解有機(jī)物、懸浮粒子等［3-6］，通過測(cè)試海水相對(duì)于超純水的吸光度，可以反映出海水中微粒的組成分布情況，因此海水吸光度測(cè)量可用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)、分析海水物質(zhì)的組成成分和含量。海水吸光度結(jié)果對(duì)于水下光通信、光譜探測(cè)等領(lǐng)域具有重要指導(dǎo)作用［7-10］，透明度信息對(duì)于潛艇的安全航行、水雷布防等均具有極大的參考價(jià)值［2，11-14］。

目前，針對(duì)海水原位吸光度測(cè)試的設(shè)備主要集中于美國(guó)海鳥公司和HOBI Labs 生產(chǎn)的相關(guān)水質(zhì)測(cè)量傳感器［15-17］，其中較有代表性的為海鳥公司的C-Star 透射計(jì)，C-Rover 透射計(jì)及AC-S 高光譜吸收衰減測(cè)量?jī)x，HOBI Labs 公司的產(chǎn)品主要有a-Sphere 原位分光光度計(jì)及Gamma 系列光衰減測(cè)量?jī)x，其中a-Sphere 原位分光光度計(jì)是基于積分球原理設(shè)計(jì)的。除此之外，德國(guó)Trios 公司的也提供了一種可用于原位吸光度測(cè)量的傳感器VIPER［18-19］。國(guó)內(nèi)從20 世紀(jì)80年代起逐漸開始進(jìn)行海洋探測(cè)設(shè)備的研究，關(guān)于海水吸光度的研究也比較少，大多數(shù)研究仍是基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行的模擬仿真測(cè)試，還未發(fā)展出可實(shí)際用于原位測(cè)量的吸光度傳感器，目前已知的相關(guān)儀器有單通道激光衰減測(cè)量?jī)x和基于雙光路原理的海水IOPs 高光譜測(cè)量?jī)x［20-25］。

目前海洋原位剖面觀測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法大都基于定點(diǎn)式浮標(biāo)、潛標(biāo)或船基觀測(cè)平臺(tái)，定點(diǎn)式剖面觀測(cè)無法進(jìn)行大范圍水域的性質(zhì)探測(cè)，以定點(diǎn)式測(cè)量數(shù)據(jù)代表某個(gè)區(qū)域海水的整體性質(zhì)會(huì)有較大誤差。拖曳式觀測(cè)系統(tǒng)在拖曳鏈上分布多個(gè)傳感器模塊，通過走航式連續(xù)觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試海域海水性質(zhì)的原位立體剖面探測(cè)。

為獲取高時(shí)空分辨率的吸光度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，現(xiàn)有設(shè)備無法滿足測(cè)量需求，主要原因有：1）現(xiàn)有吸光度設(shè)備可測(cè)量光譜信息較少，如：C-Star 透射計(jì)、單通道激光衰減測(cè)量?jī)x等，由于海水中的粒子對(duì)不同波段光的衰減程度不同，不同波段光的衰減程度可以反映海水粒子的濃度，從多光譜的吸光度信息可以提取物質(zhì)的濃度特征，若要實(shí)現(xiàn)多波段測(cè)量，傳感器所需要的體積和功耗也將成倍增加，不利于系統(tǒng)集成；2）現(xiàn)有高光譜型的吸光度測(cè)量設(shè)備價(jià)格昂貴、體積較大，如AC-S 高光譜吸收衰減測(cè)量?jī)x、VIPER 測(cè)量?jī)x等，使用光譜儀作為傳感器的光電探測(cè)器，一定程度上可以實(shí)現(xiàn)寬波段探測(cè)及較高的光譜分辨率，但光譜儀受環(huán)境光影響較大，且光譜儀外觀固定，不利于傳感器的集成和小型化；使用光譜儀作為光電探測(cè)器還需考慮光源的選擇，例如氙燈、鎢燈或使用高集成的拼接LED。綜上所述，現(xiàn)有設(shè)備在儀器價(jià)格、系統(tǒng)集成及功耗等方面均不適用于海洋拖曳觀測(cè)系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)高分辨率的吸光度原位探測(cè)。

為適應(yīng)海洋拖曳觀測(cè)系統(tǒng)需要，基于拖曳系統(tǒng)的吸光度傳感器需具備多波段、低功耗、高集成度、可進(jìn)行大范圍長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量等特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種用于海洋拖曳觀測(cè)系統(tǒng)的吸光度傳感器，通過搭載科考船，利用走航觀測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)海洋吸光度的大范圍探測(cè)。

1 吸光度傳感器設(shè)計(jì)原理

為實(shí)現(xiàn)低功耗、小體積、高精度的用于拖曳觀測(cè)系統(tǒng)吸光度傳感器，選取LED 和光電二極管分別作為傳感器的光源和探測(cè)器，二者從體積、功耗、壽命等方面具有較高的性價(jià)比；吸光度傳感器包含高穩(wěn)定性光源模塊和高信噪比信號(hào)探測(cè)模塊，為實(shí)現(xiàn)多波段吸光度測(cè)量，選取LED 作為吸光度傳感器的光源，接收端選取對(duì)應(yīng)波段的窄帶濾光片，8 個(gè)通道采取相同的光機(jī)結(jié)構(gòu)并排排列，實(shí)現(xiàn)傳感器的高集成度。

單個(gè)通道的具體實(shí)現(xiàn)原理如圖1 所示。LED 光源經(jīng)小孔光闌后由發(fā)射端準(zhǔn)直透鏡組準(zhǔn)直后從發(fā)射端窗口出射，通過海水介質(zhì)后，再依次經(jīng)過接收端窗口、帶通濾光片最后由聚焦透鏡聚焦在接收端探測(cè)器靶面上。LED 采用781.25 Hz 的正弦波調(diào)制發(fā)光，以此來減小電路中1/f噪聲的干擾；在發(fā)射端LED 光源側(cè)面經(jīng)帶通濾光片后放置貼片式參考探測(cè)器，監(jiān)測(cè)LED 發(fā)光強(qiáng)度變化，以此來校準(zhǔn)光源波動(dòng)對(duì)吸光度結(jié)果的影響；接收端探測(cè)器接收模擬信號(hào)經(jīng)跨阻放大、帶通濾波電路進(jìn)入AD 采集，信號(hào)通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字鎖相處理，通過與高截止深度的窄帶濾光片配合實(shí)現(xiàn)對(duì)背景干擾光的抑制，以此來實(shí)現(xiàn)明場(chǎng)環(huán)境下的高精度吸光度探測(cè)。

圖1 單通道吸光度檢測(cè)原理圖Fig.1 Schematic diagram of single channel absorbance detection

1.1 吸光度檢測(cè)原理

吸光度測(cè)量的基本原理為朗伯-比爾定律［24］，吸光度測(cè)量系統(tǒng)包含高穩(wěn)定光源模塊及高信噪比信號(hào)探測(cè)模塊。原位測(cè)量系統(tǒng)一般包括透射式光路和反射式光路，透射式光路的特點(diǎn)是光源發(fā)射端和探測(cè)器接收端在吸收池的兩側(cè)，發(fā)射端光源發(fā)出準(zhǔn)直光束，經(jīng)過吸收池吸收后，接收端會(huì)聚接收至探測(cè)器，多用于吸收光程較短的吸光度傳感器；反射式光路的特點(diǎn)是光源發(fā)射端和探測(cè)器接收端位于吸收池的同一側(cè)，光源發(fā)射端發(fā)出準(zhǔn)直光束，經(jīng)過吸收池，然后經(jīng)過棱鏡組件兩次反射，再次經(jīng)過吸收池，然后接收端會(huì)聚接收至探測(cè)器，由于光束兩次經(jīng)過吸收池，吸收光程長(zhǎng)度為吸收池長(zhǎng)度的2 倍［26］，反射式光路多用于長(zhǎng)光程（通常光程長(zhǎng)度大于100 mm）吸光度傳感器，由于光束兩次經(jīng)過吸收池，所以反射式光路可以減小長(zhǎng)光程吸光度傳感器長(zhǎng)度，從而以較小的體積實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)路徑海水衰減的探測(cè)。本文設(shè)計(jì)的用于海洋拖曳觀測(cè)系統(tǒng)的吸光度傳感器吸收池路徑長(zhǎng)度為10 mm，綜合考慮傳感器體積及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素選擇使用透射式光路。

值得注意的是，在給出吸光度數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)應(yīng)給出路徑長(zhǎng)度參數(shù)［27］。光束衰減系數(shù)c可表示為

式中，T為光束透過率，L為海水介質(zhì)的光學(xué)路徑長(zhǎng)度。吸光度值A(chǔ)可表示為

傳感器制作完成后，路徑長(zhǎng)度L為固定參數(shù)，吸光度值A(chǔ)與光束衰減系數(shù)c的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

海水吸光度測(cè)量通過測(cè)定海水相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)溶液（一般為超純水）的吸光度，根據(jù)吸光度值的大小可以反映海水中的顆粒濃度及成分，相較于光束衰減系數(shù)，吸光度對(duì)粒子濃度的反映更加直觀。

式中，Asea為海水吸光度值，Aref為超純水吸光度值，V0sea為測(cè)量海水時(shí)入射光強(qiáng)度，V1sea為測(cè)量海水時(shí)透射光強(qiáng)度，V0ref為測(cè)量超純水時(shí)入射光強(qiáng)度，V1ref為測(cè)量超純水時(shí)透射光強(qiáng)度，A為海水相對(duì)于超純水的吸光度。式（4）也體現(xiàn)了在LED 光源處設(shè)計(jì)參考探測(cè)器的必要性，以此來校正測(cè)量過程中光源波動(dòng)變化對(duì)吸光度值的影響。

1.2 數(shù)字鎖相放大器原理

傳統(tǒng)鎖相放大器采用模擬混頻器和RC 濾波器實(shí)現(xiàn)解調(diào)，模擬鎖相放大器存在硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜、功耗高、增益誤差大等問題；隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字鎖相放大器逐步取代模擬鎖相放大器被廣泛應(yīng)用，數(shù)字鎖相放大器輸入噪聲小、硬件電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、功耗小，非常適合于海洋傳感器進(jìn)行微弱信號(hào)處理［28］。

鎖相放大器的實(shí)現(xiàn)原理如圖2 所示，傳感器采用781.25 Hz 的正弦信號(hào)調(diào)制LED 發(fā)光，光電探測(cè)器接收待測(cè)信號(hào)后，經(jīng)前置放大、帶通濾波后進(jìn)入AD 采集，與參考信號(hào)基于互相關(guān)檢測(cè)原理進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，參考信號(hào)使用與待測(cè)信號(hào)頻率相同、相位差為0 的正弦信號(hào)，通過乘法器與低通濾波器后得到與待測(cè)信號(hào)幅度相關(guān)的輸出信號(hào)。

吸光度傳感器進(jìn)行原位測(cè)量時(shí)，會(huì)受到太陽光的極大干擾，本文設(shè)計(jì)的用于海洋拖曳觀測(cè)系統(tǒng)的吸光度傳感器可用于明場(chǎng)環(huán)境探測(cè)，對(duì)背景光的抑制主要從兩方面進(jìn)行：從光學(xué)角度，在光路中使用高截止深度濾光片對(duì)帶外寬波段背景光進(jìn)行濾除，且通過對(duì)多通道不同波長(zhǎng)的探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行排布，也可進(jìn)一步減小相鄰波長(zhǎng)通道散射光的影響；從電子學(xué)角度，采用數(shù)字鎖相放大技術(shù)抑制低通濾波器帶寬外的噪聲信號(hào)。

1.3 傳感器關(guān)鍵部件及參數(shù)

針對(duì)海洋拖曳觀測(cè)系統(tǒng)的吸光度傳感器設(shè)計(jì)要求，從體積、功耗、響應(yīng)速度及實(shí)際應(yīng)用等多方面綜合考慮，選取LED 和光電二極管分別作為傳感器的光源和探測(cè)器，使用光譜儀作為光電探測(cè)器進(jìn)行原位探測(cè)易受環(huán)境背景光的干擾，尤其是海表層附近的環(huán)境光變化較為迅速。

本文設(shè)計(jì)的吸光度傳感器是一種多波段的測(cè)量系統(tǒng)，中心波長(zhǎng)分別是340 nm、370 nm、465 nm、530 nm、565 nm、625 nm、800 nm、980 nm。其中，一些波段的吸光度數(shù)據(jù)可作為重要參考信息，如：530 nm 波段是人眼最為敏感的波段，該波段吸光度值對(duì)于海洋透明度信息具有重要參考意義；該吸光度傳感器的波段也可以根據(jù)不同測(cè)量需要進(jìn)行靈活調(diào)整，如可以將其中一個(gè)通道替換為254 nm 通道進(jìn)行TOC 和COD 濃度等的測(cè)量。

吸收池路徑長(zhǎng)度是傳感器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，目前國(guó)際領(lǐng)先設(shè)備常使用的路徑長(zhǎng)度有10 mm、100 mm、250 mm 等，吸收池路徑越長(zhǎng)，傳感器靈敏度越高，但路徑長(zhǎng)度太長(zhǎng)容易受到氣泡的影響，氣泡對(duì)于光學(xué)傳感器的影響極大，也會(huì)影響對(duì)數(shù)據(jù)的分析判斷。不同的路徑長(zhǎng)度可適用于不同海域海水的測(cè)量，在清澈海域進(jìn)行吸光度測(cè)量應(yīng)選取較長(zhǎng)路徑的吸收池，或者可以考慮使用反射式光路來實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的路徑長(zhǎng)度，本文設(shè)計(jì)的傳感器考慮在近海環(huán)境及藻華區(qū)域拖曳的使用條件，選取吸收池路徑長(zhǎng)度為10 mm。

2 吸光度傳感器硬件設(shè)計(jì)

吸光度傳感器的研制過程，包含光、機(jī)、電組件小型化設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化光路設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可用于海洋拖曳觀測(cè)系統(tǒng)的高精度吸光度傳感器研制，8 個(gè)通道的光學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)及探測(cè)電路采用一體小型化設(shè)計(jì)，分別嵌入到發(fā)射端和接收端結(jié)構(gòu)中，最大程度壓縮傳感器的體積，實(shí)現(xiàn)8 個(gè)波段的吸光度同步探測(cè)，并形成成熟的裝配工藝。吸光度傳感器工作功耗為2.10 W。

為實(shí)現(xiàn)傳感器的高集成度，傳感器8 個(gè)波段的吸光度探測(cè)通道采取并排排列的設(shè)計(jì)方案，接下來以單通道吸光度系統(tǒng)介紹傳感器的光機(jī)結(jié)構(gòu)及集成電路設(shè)計(jì)。

2.1 光路設(shè)計(jì)

吸光度傳感器光路設(shè)計(jì)使用LED 照明小孔光闌提供優(yōu)質(zhì)點(diǎn)光源并提升光源準(zhǔn)直效率，光束準(zhǔn)直后從發(fā)射端窗口出射，通過吸收池海水介質(zhì)后，再依次經(jīng)過接收端窗口、帶通濾光片后由聚焦透鏡聚焦在光電二極管的接收靶面。

吸光度值的測(cè)量誤差受部分前向散射光的影響，傳感器的設(shè)計(jì)差異會(huì)導(dǎo)致不同的測(cè)量精度，不同類型的傳感器有不同的使用標(biāo)準(zhǔn)，吸光度測(cè)量系統(tǒng)一般不進(jìn)行散射校正，因此在吸光度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡可能減小前向散射光及其背景雜散光的影響，使光電探測(cè)器的接收角盡可能?。?6］。吸光度傳感器單通道光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，探測(cè)器靶面上的輻照度分布圖如圖4 所示。

圖3 單通道光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Single channel optical system structure diagram

圖4 探測(cè)器靶面總輻照度分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of total irradiance distribution on detector target surface

2.2 電路設(shè)計(jì)

吸光度傳感器電路設(shè)計(jì)主要包括LED 驅(qū)動(dòng)電路、參考及透射端光電檢測(cè)電路及單片機(jī)控制電路。為優(yōu)化傳感器集成度，LED 驅(qū)動(dòng)電路及光電檢測(cè)電路均需要嵌入到發(fā)射端及接收端模塊內(nèi)部，多通道吸光度并排排列的光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于電路板的集成設(shè)計(jì)，但電路板體積受機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)的限制，對(duì)電路板的器件布局和走線有較高要求。

LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)需考慮多個(gè)LED 的發(fā)光效率和正向偏壓，不同波段的LED 正向?qū)妷河休^大區(qū)別，本傳感器設(shè)計(jì)一種大動(dòng)態(tài)電壓范圍的恒流驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED 發(fā)光。參考及透射端光電檢測(cè)電路主要包括光電轉(zhuǎn)換、跨阻放大及增益電路；LED 在上電工作初期，發(fā)光強(qiáng)度會(huì)有一定程度的漂移，為了消除LED 開啟初期以及工作過程中因LED 發(fā)光效率改變對(duì)吸光度測(cè)量結(jié)果的影響，需要設(shè)計(jì)參考探測(cè)器電路對(duì)LED的發(fā)光效率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而對(duì)測(cè)得的吸光度值進(jìn)行校準(zhǔn)。

單片機(jī)控制電路包括4 部分功能，1）提供8 通道穩(wěn)定的781.25 Hz 的正弦信號(hào)，輸入到LED 驅(qū)動(dòng)電路激發(fā)LED 發(fā)光；2）參考端探測(cè)器檢測(cè)電路的信號(hào)處理；3）透射端探測(cè)器檢測(cè)電路的信號(hào)處理，對(duì)提供的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波后在單片機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相處理；4）使用232 通信方式與上位機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)通信及數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)控制電路布局如圖5 所示。

圖5 單片機(jī)控制電路布局圖Fig.5 Layout of single chip microcomputer control circuit

2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吸光度傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包含對(duì)LED 光源、光學(xué)透鏡組件、光電二極管以及集成電路板等元件的機(jī)械支撐，光學(xué)透鏡組件通過光路設(shè)計(jì)仿真確定，整體機(jī)械結(jié)構(gòu)使用8 通道并排排列的方式，為傳感器提供穩(wěn)固的機(jī)械結(jié)構(gòu)支撐；值得注意的是，為增強(qiáng)表貼型參考探測(cè)器的信號(hào)，LED 支撐件內(nèi)腔進(jìn)行亮面處理；為避免傳感器自身LED 光源及外界環(huán)境光通過海水及顆粒散射、機(jī)械外殼的反射等對(duì)吸光度值的影響，傳感器外殼均進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化發(fā)黑處理。吸光度傳感器單通道光機(jī)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖6 所示。

圖6 單通道光機(jī)結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.6 Single channel optical mechanical structure profile

吸光度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7 所示，主要包含發(fā)射端組件和接收端組件，傳感器裝配實(shí)物圖如圖8 所示。

圖7 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Internal structure diagram of sensor

圖8 傳感器裝配實(shí)物圖Fig.8 Picture of sensor assembly

本文設(shè)計(jì)的吸光度傳感器用于海洋拖曳觀測(cè)系統(tǒng)，該拖曳觀測(cè)系統(tǒng)還搭載了高精度溫度、鹽度、深度及熒光傳感器，為海洋環(huán)境安全及水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供重要技術(shù)支持與數(shù)據(jù)支撐。各傳感器在拖曳觀測(cè)系統(tǒng)的單個(gè)集成模塊中的排布示意圖如圖9 所示。

圖9 單個(gè)集成模塊示意圖Fig.9 Schematic diagram of single integration module

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證研制吸光度傳感器的性能，使用吸光度傳感器在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行精度測(cè)試，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并使用德國(guó)Trios 公司生產(chǎn)的VIPER 測(cè)量?jī)x進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，以此驗(yàn)證傳感器的適用性及可靠性。此外，傳感器還搭載拖曳觀測(cè)系統(tǒng)在中國(guó)南海進(jìn)行海試試驗(yàn)，傳感器在試驗(yàn)過程中功能正常，并獲得了部分南海海水的吸光度剖面數(shù)據(jù)。

3.1 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)傳感器精度測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行吸光度傳感器精度測(cè)試，測(cè)試環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室水槽，海水樣品為青島石老人海水浴場(chǎng)近岸海水，因打撈的海水樣品所含泥沙懸浮顆粒較多，采用1 μm 的濾紙過濾后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試過濾海水相對(duì)于超純水的吸光度值。

表1 展示了8 個(gè)通道吸光度值的測(cè)量精度。由結(jié)果可以看出，所研制的吸光度傳感器的精度可以達(dá)到7.9·10?5AU（Absorbance Unit）。

表1 傳感器8 個(gè)通道吸光度值精度Table 1 Precision of the absorbance value of the sensor for 8 channels

3.2 比對(duì)試驗(yàn)測(cè)試

所使用的比對(duì)設(shè)備為德國(guó)Trios 公司生產(chǎn)的VIPER 測(cè)量?jī)x，VIPER 測(cè)量?jī)x使用5 個(gè)波段的集成LED 陣列作為傳感器的光源，使用微型光譜儀作為傳感器的探測(cè)器，測(cè)量波段范圍為347 nm～720 nm，吸收池光程也為10 mm。在實(shí)驗(yàn)室水槽內(nèi)進(jìn)行過濾海水測(cè)量，吸光度傳感器共進(jìn)行了約0.5 h 的長(zhǎng)期測(cè)試，取測(cè)量時(shí)間段內(nèi)的均值作為對(duì)應(yīng)通道中心波段的吸光度值，比對(duì)結(jié)果示意圖如圖10 所示。

圖10 吸光度傳感器與VIPER 比對(duì)結(jié)果圖Fig.10 Comparison between Absorbance sensor and VIPER

從圖10 可以看出，吸光度傳感器與VIPER 測(cè)量?jī)x的結(jié)果在370～625 nm 的吸光度值具有較強(qiáng)的一致性，在347 nm 處VIPER 測(cè)量?jī)x的吸光度數(shù)值過大，可能由于其集成LED 光源在該波長(zhǎng)處的信號(hào)強(qiáng)度過低，導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差；在370～625 nm 處吸光度值上的微小差異可能由以下原因造成：兩個(gè)傳感器的光譜分辨率不同，VIPER 測(cè)量?jī)x使用光譜儀作為探測(cè)器，吸光度傳感器光電二極管接收到的信號(hào)帶寬是由濾光片與LED 光源共同決定的，該差異會(huì)導(dǎo)致吸光度值的微小偏差。

3.3 南海海水測(cè)試

所研制的吸光度傳感器搭載于拖曳觀測(cè)系統(tǒng)在中國(guó)南海部分海域進(jìn)行海試試驗(yàn)，拖曳觀測(cè)系統(tǒng)同時(shí)還包含高精度溫度、鹽度、深度傳感器及熒光傳感器，傳感器集成模塊入水拖曳狀態(tài)如圖11 所示。

圖11 傳感器集成模塊入水拖曳狀態(tài)示意圖Fig.11 Schematic diagram of sensor integration module towing in water

吸光度傳感器在拖曳鏈上呈一定規(guī)律排布，測(cè)量0～210 m 左右水深的吸光度值，吸光度傳感器使用拖曳時(shí)間內(nèi)的吸光度均值代表某一深度的吸光度值，得到南海部分海域的吸光度剖面數(shù)據(jù)如圖12 所示。從整體數(shù)據(jù)上分析，所測(cè)試海域的海水在測(cè)量深度范圍內(nèi)，同一波長(zhǎng)的吸光度值差異不大，625 nm 通道、530 nm通道的吸光度值較小，近紫外波段340 nm 通道、370 nm 通道的吸光度值較大。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)完成了一種用于海洋拖曳觀測(cè)系統(tǒng)的吸光度傳感器，該傳感器可用于明場(chǎng)環(huán)境探測(cè)，也可獨(dú)立用于近岸水域吸光度值的原位探測(cè)。該傳感器使用LED 和光電二極管作為傳感器的光源和探測(cè)器，使得傳感器實(shí)現(xiàn)多波段吸光度探測(cè)，從光路、電路及機(jī)械結(jié)構(gòu)多方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化、高精度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室精度驗(yàn)證測(cè)試，吸光度傳感器的測(cè)量精度優(yōu)于0.000 1 AU。除此之外，吸光度傳感器搭載拖曳觀測(cè)系統(tǒng)在南海部分海域的吸光度值測(cè)量獲得了較好的結(jié)果。

所研制的吸光度傳感器可以實(shí)現(xiàn)吸光度值的連續(xù)監(jiān)測(cè)，且通過光學(xué)濾光片及數(shù)字鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)明場(chǎng)環(huán)境下的吸光度探測(cè)，避免了環(huán)境光的干擾，也可以應(yīng)用于海洋浮標(biāo)、拖曳觀測(cè)平臺(tái)、船基觀測(cè)平臺(tái)等，具備廣泛的應(yīng)用前景。