CN101957302A - 浮游植物粒径现场测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一水中浮游植物粒径现场测量装置。装置由一个水下光学测量装置和水上光纤耦合装置及数据采集控制装置构成。用单模光纤将激光导入水下光学测量装置，在两相干交叉激光束两侧与激光束传输方向成90度的方向上分别接收浮游植物发出的荧光信号和差分多普勒信号，并经多模光纤分别传送至水上的光电检测单元和数据采集卡，计算机中的程序自动存储和实时显示粒径统计分布曲线及该次统计的平均流速、流量等信息。此装置测量不受水流速度影响，水下光学测量装置完全采用光学器件，光纤传输测量信号，探头不需供电，该装置适于长时间现场测量浮游植物的粒径分布和粒子浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一浮游植物粒径测量装置，该装置应用于现场测量海水中浮游植物粒径尺寸，实时监测海水中浮游植物的粒径分布和粒子浓度。
背景技术
目前，浮游植物粒径测量方法主要有显微镜计数法、图像分析法、库尔特计数法、流式细胞术法。显微镜计数法是在显微镜下观测浮游植物细胞的尺寸、形状；图像分析法是根据细胞几何形态信息，利用计算软件计算浮游植物粒径；库尔特计数法是利用浮游植物细胞通过位于恒电流电极体系中的测量孔径时，引起突变的电阻增加及相应的电极间的电位差变化，由电位差的变化推算浮游植物的粒径。上述三种测量方法都需要复杂的海水样本预处理过程，不能胜任现场实时测量。流式细胞术法利用浮游植物所含叶绿素荧光和散射来分析浮游植物的光学特征，浮游植物细胞的粒径采用前向散射和细胞体积间的经验公式获得。该方法要求被测细胞通过观察点的位置精度小于1μm，且需要稳定的流速，因此该方法也很难应用于现场测量。
香港浸会大学陈启尧博士提出了双束激光荧光多普勒法，该方法是应用激光激发叶绿素荧光和激光差分多普勒测速两种技术结合来测量浮游植物粒径。具体是由多普勒信号测量浮游植物粒子流经被测水体的速度，由荧光信号得到粒子横穿被测体积所需时间，从而计算出流经被测水体的浮游植物粒径的尺寸。因粒径的测量与折射率及荧光强度无关，且不要求恒定的流速，使得该方法适于现场测量。
发明内容
本发明的目的是采用双束激光荧光多普勒法，提供一种现场实时测量浮游植物粒径尺寸，自动统计从而连续监测海水中浮游植物粒径分布及粒子浓度的装置。
本装置包括激光器、水上激光光纤耦合装置、水下光学测量装置、水上数据采集和控制装置。水上激光光纤耦合装置通过单模光纤将输入激光传输至水下的光学测量装置，水下光学测量装置输出的光信号通过多模光纤传输至水上数据采集和控制装置。
水下光学测量装置包括输入激光信号接收装置、输出荧光信号接收装置和差分多普勒信号接收装置三部分。输入激光信号接收装置中有准直透镜、分束装置和聚焦透镜，对输入的激光信号准直、分光、聚焦，形成干涉条纹，构成测量区域。输出荧光信号接收装置和差分多普勒信号接收装置中都有聚焦透镜，将测量信号成像于多模光纤内。光学测量探头完全密封在一不锈钢长方体框架密封舱内，测量时完全沉入水下。
水上的数据采集和控制装置由光电倍增管构成的光电检测单元、基于DSP的PCI数据采集卡和计算机组成。数据采集卡和计算机中的程序使装置自动完成数据的实时处理和连续自动监测的控制，可实时、连续显示浮游植物的粒径分布和海水中粒子浓度。
本发明的水下光学测量装置，完全采用光学结构，水上、水下信号的传输采用单模和多模光纤完成，水下的光学测量装置完全不需要供电，可长时间工作于水下；采用基于DSP的的PCI数据采集与控制装置，保证了数据采集和处理的实时性。
附图说明
图1为是装置的总体结构示意图。
图2为分光装置结构示意图。
其中，1.激光器 2.耦合装置 3.透镜 4.光纤连接头 5.单模光纤 6.输入激光信号接收装置 7.准直透镜 8.激光分束装置 9.聚焦透镜 10.差分多普勒信号接收装置 11.测量体积 12.荧光信号接收装置 13.密封舱 14 多模光纤 15.数据采集控制装置 16.光电检测单元 17.数据采集卡 18.计算机 19.横向分束器 20.平行四方体玻璃21.入射激光束 22.出射激光束
具体实施方式
本测量装置分水上和水下两部分。水上部分由激光器1、耦合装置2以及数据采集控制装置15组成；水下部分是密封在密封舱13中的由输入激光信号接收装置6、荧光信号接收装置12和差分多普勒信号接收装置10组成的光学测量装置。分别由单模光纤5和多模光纤14传输输入和输出光信号。
水下的光学测量探头完全密封在探头密封舱13内，探头密封舱13采用不锈钢框架，外壳呈长方体，密封舱中间开有中空的长方筒体，四壁加工对称的玻璃窗口，测量时装置完全沉入水中。
测量时，激光器1产生的532nm的单模高斯光束，经由透镜3和光纤连接头4组成的耦合调整装置2耦合至单模光纤5，经单模光纤5将输入激光传输至水下输入激光信号接收装置6。在水下输入激光信号接收装置6中，输入的激光由准直透镜7准直，再经激光分束装置8分成两准直相干激光出射光束22，这两束相干光束由聚焦透镜9聚焦，透过测量玻璃窗口在密封舱13外的测量水体中相交，形成干涉条纹的交叉区域构成测量体积11。在偏离入射光束90度的方向上由荧光信号接收装置12接收激发荧光信号，同时，在和入射光束成90度的另一侧即和接受荧光信号相反的方向上由输出差分多普勒信号接收装置10接收激光差分多普勒信号。荧光信号和差分多普勒信号经多模光纤14分别传送至水上数据采集控制装置15进行数据的采集、处理和控制。
激光分束装置8由横向分束器19和平行四方体玻璃20构成。平行四方体玻璃20将准直后入射激光束21平移10mm，再经横向分束器19分束，使分束后两输出激光束22对称于原入射激光束21，此装置即使输入光束发生了偏振方向的改变，两输出平行激光束的强度也不会发生变化。
水上数据采集控制装置15由光电检测单元16、数据采集卡17以及计算机18构成。多模光纤14传输来的荧光信号和差分多普勒信号分别由光电倍增管构成的光电检测单元16进行光电信号转换、放大，输入到基于DSP的PCI数据采集卡17采集数据，采集的数据输入计算机，由计算机进行数据的存储和数据处理。
装置工作时，采集的差分多普勒信号和激光荧光信号在时间上同步，激光荧光信号用于数据采集的触发。2K预触发数据采集循环操作同时应用于差分多普勒信号和激光荧光信号采集。采集到的激光荧光信号和设定的阈值实时比较，一旦发现激光荧光信号大于预先设置的阈值，激光荧光信号的数据采集卡将触发差分多普勒信号数据采集卡同时完成后续6K差分多普勒信号和激光荧光信号的采集。采样数据的总量包括预触发的2K数据是8K。数据采集一旦完成，数据采集卡上的一个DSP将对采集到的差分多普勒信号数据进行快速的傅立叶变换得到激光多普勒频率。同时，检测激光荧光信号的峰值，进而得到脉冲的时间宽度，该脉冲宽度也就是浮游植物粒子经过测量水体的时间t。由多普勒频率推算出的浮游植物粒子速度V，按公式D＝Vt-W计算出浮游植物粒子的粒径，其中W是测量体积11处激光束的宽度。计算机中的程序自动存储和实时显示粒径统计分布曲线及该次统计的平均流速、流量等信息。实现长时间的实时监测，由外部按键控制监测过程是否结束。
应用本发明，可实现浮游植物粒径尺寸现场实时测量，可连续监测海水中浮游植物的粒径分布粒子浓度。
Claims (7)
1.水中浮游植物粒径现场测量装置，它包括激光器(1)、水上激光光纤耦合装置(2)、水下光学测量装置(13)以及包含软件的水上数据采集和控制装置(15)。其特征在于水下光学测量装置包括输入激光信号接收装置(6)、输出荧光信号接收装置(12)和差分多普勒信号接收装置(10)，完全采用光学器件测量，不需供电；由单模光纤(5)传输入射激光信号到水下，由多模光纤(14)接收测量的荧光信号和差分多普勒信号。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是水下光学测量测量装置(13)中的输入激光信号接收装置(6)由准直透镜(7)、分束装置(8)和聚焦透镜(9)组成。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征是分束装置(8)是由横向分束器(19)和平行四方体玻璃(20)构成的一体式结构。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是选用波长532nm，功率150mw的单纵模激光器。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是输出荧光信号的接收方向为与入射激光束方向成90度，输出差分多普勒信号的接收方向与荧光信号的接收方向相反。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是在于水下光学测量装置(13)完全密封在一不锈钢长方体框架密封舱内，测量时完全沉入水下。
7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是水上数据采集和控制装置(15)按预设定时间自动循环进行浮游植物粒径分布的统计，并自动存储和实时显示统计分布曲线及该次统计的平均流速、流量信息。
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