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海洋光學儀器

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海洋光學儀器是測量海洋光學性質的儀器。它可分為測量海水固有光學性質的儀器,測量海水表觀光學性質的儀器。

1 海洋光學儀器 -海洋光學儀器

 

2 海洋光學儀器 -正文

  測量海洋光學性質的儀器。它可分成兩類:①測量海水固有光學性質的儀器。因為固有光學性質不受環境條件的影響,可採樣在實驗室中測量,也可在現場測量,故這類儀器又分為實驗室儀器和現場測量儀器兩種。②測量海水表觀光學性質的儀器。因為表觀性質都與環境有密切的關係,故必須在現場觀測。
  簡史  早在19世紀初,已開始用白色透明度盤確定自然光在海水中的垂直衰減(沉入水下的最大可見深度)及海水的透明程度。由於這種方法簡便,至今還使用它。1922年,V.E.謝爾福德和F.W.蓋爾首次將光電池用於研究水中光輻射與太陽高度和水深的關係,以及透入海水中的光與海洋中的植物分佈的關係。1936年,國際海洋開發委員會將海水的光透射率和垂直衰減的測定法標準化。50年代之後,光電技術的迅速發展,促使海洋光學儀器朝著深海探測、光譜分光、自動記錄、微機控制和多功能的方向發展。
  測定固有光學性質的儀器  主要包括線性衰減係數測定儀(和准直光透射率儀)、測定體積散射函數的β儀、測定總散射係數的b儀。其中的β儀和b儀,都稱為水中光散射儀。

  線性衰減係數測定儀  測定準直光束在海水中衰減的儀器(圖1)。從光源發出的光,經准直發射系統后成為準直光束,此光束在海水中經過光程r時受到衰減,然後被光電系統接收。測出透射率Tr,可根據確定海水的線性衰減係數μ。終端顯示出μ值的儀器稱為線性衰減係數測定儀,顯示Tr的稱為準直光透射率儀。
  由於海水的線性衰減係數和波長有關,故通常在光路中進行光譜分析。根據需要,較寬的分光可用玻璃濾光片(帶寬 100nm左右);較窄的可用干涉濾光片(帶寬10nm左右);精度更高的分光可用稜鏡或光柵作色散元件。通常可測得透射率隨波長變化的連續曲線。
  透射率Tr的測量誤差主要有 4部分:①由於准直接收系統具有一定的視場角,因此接收到的輻射通量中包含了一部分很強的前向小角度散射光,使測得的透射率偏大。這是透射率測量的主要誤差。一般可通過合理的光學系統設計來降低這種誤差。②介質的多次散射光中,有一部分進入接收系統,使測量值偏大。若光束截面較小,可消除這種誤差。③機械加工精度和材料熱膨脹的影響,使水中光程測量不準而產生誤差。故提高機械加工精度和選用熱脹係數小的合適材料,可以減小這種誤差。④光源的電壓不穩定或光源的老化和光電器件靈敏度變化所引起的測量誤差。採用雙光束比較測量,可以完全消除這種誤差。在海洋光學儀器中,廣泛採用比較測量的方法。
  光散射儀  一種是用來測定海水(體積)散射函數β(θ)的β儀,另一種是測量海水總散射係數b的b儀。因海水散射函數隨波長的變化不大,故測量時一般不作光譜分光。

  測定的原理是(圖2):從光源發出的光,經准直發射系統,變成准直光束,它射入水中時受到散射。調節儀器,使准直接收系統的視線和發射器的光束成θ角,就接收到相應於θ角的散射光,後者被光電器件轉換為電信號。在θ方向接收到的一個小水體的體積輻射的散射光,與散射體積及其上的輻照度成正比,比例係數就是散射函數。由於散射光很弱,而且在不同方向上的強度變化可達 5個數量級。所以在散射儀中都採用光電倍增管作光電接收器件,以提高接收靈敏度,並作適當的信號處理。為了保證測量的精度,要求光源的發光強度在測定過程中保持穩定,並採用雙光路比較測量,對散射體積隨角度的變化進行實時校正。小角度散射測量,是不可缺少的散射參量。應用小角度散射儀,已測得了0.085°的散射函數值。
  為測定總散射係數b,要求測量0°~180°範圍內的散射光的積分。但由於小角度散射測量的困難,b儀所測的只是10°~170°範圍內的散射光的積分。實測中,不同混濁度的海水,其θ小於10°的前向散射在總散射中所佔的比例不同;水中光程的衰減因水體而異,在混濁水中測量b時,必須作適當的校正。實測表明,45°方向的散射函數值與總散射係數b的比值是一個比較穩定的值,平均為 3.2×10-2,故可以通過對的測量求出總散射係數b。
  測定表觀光學性質的儀器  主要包括輻照儀、輻亮度儀和輻亮度偏振儀。
  輻照度儀  海洋表觀光學性質測量儀器中應用最廣泛的儀器,用於測量光譜向下輻照度Ed和光譜向上輻照度Eu。通過計算可進一步得到反射比(輻照度比)
    R=Eu/Ed
  根據輻照度的定義,為了測量光譜輻照度,必須有一個能按照餘弦定律收集所有投射在接收面上的輻射的餘弦集光器(圖3)。接收的光輻射經光譜分光后,被光電接收器件轉換為電信號。通常的儀器都配以光學的或電子學的衰減器,以適應從海面到深層的輻照度的大範圍變化。

  餘弦集光器一般由平面或半球狀的磨砂玻璃或表面磨砂的乳白有機玻璃製成,其光譜透射率在測量波段範圍內應不隨波長而變。光譜分光系統可根據分光的要求,採用玻璃濾光片、干涉濾光片、稜鏡或光柵。光電接收器件有硒光電池、硅光電池、光電倍增管等多種。為了準確地測量EuEd,在測量中必須保持餘弦集光器的水平狀態,所以輻照度儀都安裝在水平架上。為了測量輻照度在水中的垂直衰減,常用雙輻照度儀系統。其中一個儀器測量水下輻照度,另一儀器同時測量海面上的輻照度,兩者的比值與海面上輻照度的變化無關,故可消除海面輻照條件的變化而引起輻照衰減測量的誤差。
  輻亮度儀和輻亮度偏振儀  主要用于海洋光學基礎研究的測量。輻亮度儀用於測量各個方向的表觀輻亮度。其接收系統是准直接收的光度計,限定接收很小的視場角(約10-4~10-3)的輻亮度。光度計在機械控制下沿不同方位角和俯仰角旋轉,可接收海水空間4π立體角的各個方向的輻亮度。為了研究海中表觀輻亮度的偏振分佈,在輻亮度儀的准直接收系統之前安裝有檢偏器,後者可自動繞准直系統的光軸旋轉,以接收不同偏振方向的輻亮度。這種儀器即為輻亮度偏振儀。
  海洋光學的測量儀器很多,除上述基本儀器外,還有量子輻照度儀和光學傳遞函數儀等。
  參考書目
 N.G.Jerlov,Marine Optics,Elsevier ScientificPubl.,Amsterdam,1976.

 

3 海洋光學儀器 -配圖

 

4 海洋光學儀器 -相關連接

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