一种水体光吸收衰减系数测量方法技术领域
本发明涉及一种光学测量方法，具体涉及一种测量水体光吸收系数和水体
光衰减系数的方法。
背景技术
水体光吸收/衰减系数表征水体对光的吸收和衰减作用，只与水体中的物质
成分有关，不依赖于水体光场的几何结构，是水体的两大固有光学性质。光经
过介质，一部分被吸收，另外一部分偏离原传播方向被散射；吸收和散射的共
同作用造成了光的衰减。
光吸收系数和光衰减系数的变化与水体组分具有密切的联系。除了纯水之
外，光吸收系数来源于有色溶解有机物(CDOM)、浮游植物(ph)和非藻类颗粒物
(NAP)的吸收贡献；悬浮颗粒物是引起光散射的主要来源，与不同组分的光吸收
特性一起决定了光衰减特性的变化特征。
水体的光吸收系数(a，单位为m-1)定义为一束平行光透过一无限薄的均
匀介质，光吸收率(A)与介质厚度(⊿r)的比值，其定义可用以下公式表示：
a ( λ ) = lim Δ r → 0 A ( λ ) Δ r ]]>
a(λ)＝2.303×OD(λ)/r
其中，OD(λ)表示光学密度，r表示光程。
除了纯水之外，水体吸收系数a(λ)可以简单分为有色溶解有机物、悬浮颗粒物等
两大类的贡献，可表示为：
a(λ)＝aw(λ)+ap(λ)+aCDOM(λ)，(1)
右式分别代表了纯海水(w)、总颗粒物(p)以及有色溶解有机物(CDOM)
对吸收的贡献，其中总颗粒物吸收又可进一步分解浮游植物(ph)、非藻类颗粒
物(NAP)的吸收光谱之和，即
ap(λ)＝aph(λ)+aNAP(λ)
水体的光散射系数(b，单位为m-1)定义为一束平行光透过一无限薄的均匀介
质，光散射率(B)与介质厚度(⊿r)的比值，即：
b ( λ ) = lim Δ r → 0 B ( λ ) Δ r ]]>
水体的光衰减系数(c，单位为m-1)为水体的吸收和散射系数之和，即：
c(λ)＝a(λ)+b(λ)现有技术中，对于水体光吸收衰减系数的测量，通常使用
全反射管或全吸收管，需要进行温度、盐度校正和散射校正；或者使用分光光
度计。这两种方法都存在测量操作复杂，影响因素多，误差大等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水体光吸收衰减吸收测量方法，能够原位测量
水体吸收光谱，为进一步的水体浮游植物粒级结构分析提供可靠的数据支持。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种水体光吸收衰减系数测量方法，其包括以下步骤：
步骤1、将同一光源发出的光分为三路；
步骤2、同时进行下述测量：
将第一路光信号输入至吸收通道中再通过待测水体后产生第一反馈光信号，
接收该第一反馈光信号作为吸收通道测量结果；
将第二路光信号输入至衰减通道中再通过待测水体后产生第二反馈光信号，
接收该第二反馈光信号作为衰减通道测量结果；
将第三路光信号直接输出第三反馈光信号，接收该第三反馈光信号作为参
考光路测量结果；
步骤3、根据所述吸收通道测量结果、衰减通道测量结果以及参考光路测量
结果得到水体光吸收系数和水体光衰减系数。
所述方法通过水体光吸收衰减系数测量仪实现，所述水体光吸收衰减系数
测量仪包括发光单元、采样单元、探测单元和信号采集分析单元，其中：
所述发光单元包括主通道以及在主通道的后端分成的三路分通道，所述主
通道和分通道之间相互连通，所述主通道内设置有产生光信号的光源组件，在
主通道与分通道的连通处设置有用于将所述光信号分成三束的分束器，使光信
号被分成三束后分别进入三路分通道；在三路分通道中，其中第一分通道和第
二分通道的终端分别开有封闭的第一窗口和第二窗口；
所述探测单元包括三路接收通道，其中，第一接收通道和第二接收通道的
始端分别开有封闭的第三窗口和第四窗口，第三接收通道与第二接收通道相连
通；
所述采样单元包括用于连接第一窗口和第三窗口的第一水样通道以及用于
连接第二窗口和第四窗口的第二水样通道；
所述信号采集分析单元设有光谱分析仪；
第三分通道的终端通过光纤与第三接收通道的终端相连，在第三接收通道
与第二接收通道的连通处安装一合束器，所述合束器用于将第三分通道中的光
信号经第三接收通道后与第二分通道中的光信号经第二接收通道后进行合分，
然后再传送至第二接收通道的终端，所述第一分通道中的光信号传送至第一接
收通道的终端；所述第一接收通道的终端以及第二接收通道的终端均通过光纤
与光谱分析仪连接；
所述第一至三分通道为吸收通道、衰减通道和参考通道，所述第一至三接
收通道分别为吸收接收通道、衰减接收通道和参考接收通道，所述第一至四窗
口分别为第一吸收窗口、第一衰减窗口、第二吸收窗口和第二衰减窗口；
所述第一水样通道的内壁上涂覆有反射膜层，所述第二水样通道的内壁经
过发黑处理。
本发明所述的水体光吸收衰减系数测量仪中，发光单元为水体参数测量提
供光谱丰富性能稳定的光源；采样单元主要实现水体样品的采样；探测单元实
现光辐射信号的探测，该信号中携带着水体的参数信息；信号采集分析单元可
以对探测到的信息进行光谱分析，为水体衰减和吸收参数计算提供基础参数数
据。
本发明优选的水体光吸收衰减系数测量仪中，所述第一水样通道的内壁上
涂覆有反射膜层以使第一水样通道内壁具有高反射性，从而实现吸收信号的测
量，所述第二水样通道的内壁经过发黑处理使第二水样通道内壁有高吸收性，
从而实现衰减信号的测量。所述的第一水样通道和第二水样通道均为可拆卸管
道。
所述主通道的后端延伸形成衰减通道，所述参考通道与衰减通道直接连通，
所述吸收通道与主通道直接连通，所述分束器包括设置于吸收通道与主通道的
连通处的第一分束器、以及设置于参考通道与衰减通道的连通处的第二分束器。
所述第一吸收窗口、第一衰减窗口、第二吸收窗口和第二衰减窗口均为同
一高度和方向，它们均通过蓝宝石进行封闭；所述第一吸收通道包括与主通道
垂直并连通的垂直吸收通道以及与所述垂直吸收通道垂直并连通的平行吸收通
道，在所述垂直吸收通道与平行吸收通道的连通处安装一直角棱镜。
所述光源组件包括按空间顺序从主通道的前端至其后端依次设置的光源、
聚光组件、衰减组件、光阑组件和第一快门组件，在所述光源安装于一开口朝
向聚光组件的聚光罩中，在第一分束器与第一快门组件之间的光路上还安装一
准直镜组。
所述的发光单元中，光源优选高稳定卤钨灯光源组件；所述的聚光组件优
选三胶合消色差透镜组件；所述的光阑组件优选高功率孔径光阑组件。
在参考通道中、合束器与衰减接收通道的终端之间的衰减接收通道中、以
及合束器与参考接收通道的终端之间的参考接收通道中分别安装有第一汇聚镜
组、第二汇聚镜组和第三汇聚镜组；所述吸收接收通道中安装有匀化器和能量
收集器，所述匀化器位于第二吸收窗口侧。
在合束器与第二衰减窗口之间的衰减接收通道中、以及第三汇聚镜组远离
合束器一侧的参考接收通道中分别安装有第二快门组件和第三快门组件；所述
第一快门组件、第二快门组件和第三快门组件均为电动快门，所述电动快门与
光源的开关均由外接的控制器通过控制线缆统一控制。
所述步骤1包括：
步骤11、开启水体光吸收衰减系数测量仪中发光单元主通道内的光源，光
源发出的光信号经过聚光组件、衰减组件、光阑组件的调节，在主通道内被输
送至第一快门组件；
步骤12、开启第一快门组件，使光信号被传输至第一分束器和第二分束器，
第一分束器和第二分束器将光信号分为三路，分别进入吸收通道、衰减通道和
参考通道。
所述步骤2包括：
将待测水体分别从第一水样通道和第二水样通道上设置的水样进口引入第
一水样通道和第二水样通道；
经吸收通道到达第一吸收窗口的第一路光信号从第一吸收窗口进入第一水
样通道，穿过待测水体，经第二吸收窗口进入吸收接收通道，再经聚光处理后
经光纤传递至光谱分析仪，作为第一反馈光信号被测量；
经衰减通道到达第一衰减窗口的第二路光信号从第一衰减窗口进入第二水
样通道，穿过待测水体，经第二衰减窗口进入衰减接收通道，再经聚光处理后
经光纤传递至光谱分析仪，作为第二反馈光信号被测量；
进入参考通道的第三路光信号经过第一汇聚镜组进行聚光处理后通过光纤
传递到参考接收通道，再经光纤传递至光谱分析仪，作为第三反馈信号被测量。
所述待测水体为海水、湖水和河水中的任一种。
本发明所述的方法，特别是使用本发明提供的设备实施的测量方法，能够
原位测量水体吸收光谱，操作简单，误差小，为实现海水等水体光衰减系数和
水体光吸收系数的准确测量提供了良好的技术基础，也为进一步的水体浮游植
物粒级结构分析提供可靠的数据支持。
附图说明
图1是本发明实施例1水体光吸收衰减系数测量仪的整体光路结构示意图。
图2是本发明实施例1水体光吸收衰减系数测量仪的发光单元光路结构示
意图。
图3是本发明实施例1水体光吸收衰减系数测量仪的探测单元光路结构示
意图。
附图标记：
1、发光单元；11、主通道；111、聚光罩；112、光源；113、聚光组件；114、
衰减组件；115、光阑组件；116、第一快门组件；1171、第一分束器；1172、第
二分束器；118、准直镜组；12、吸收通道；121、直角棱镜；122、第一吸收窗
口；13、衰减通道；131、第一衰减窗口；14、参考通道；
2、采样单元；21、第一水样通道；22、第二水样通道；23、线缆通道；
3、探测单元；31、吸收接收通道；311、第二吸收窗口；312、匀化器；313、
能量收集器；32、衰减接收通道；321、第二衰减窗口；322、第二快门组件；
323、合束器；33、参考接收通道；331、第三快门组件；
4、信号采集分析单元；5、光纤；61、第一汇聚镜组；62、第二汇聚镜组；
63、第三汇聚镜组。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对
本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以
便于充分理解本发明，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类
似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
一种水体光吸收衰减系数测量仪，如图1所示，它主要由发光单元1、采样
单元2、探测单元3和信号采集分析单元4组成；发光单元1包括主通道11和
主通道11一端分成的三路分通道，分别定义为吸收通道12、衰减通道13和参
考通道14，主通道11和吸收通道12直接连通，衰减通道13和参考通道14直
接连通；
如图2所示，主通道11内按空间顺序依次设有聚光罩111、采样高稳定卤
钨灯的光源112、三胶合消色差透镜的聚光组件113、衰减器构成的衰减组件114、
高功率孔径的光阑组件115、第一快门组件116和准直镜组118；主通道11和吸
收通道12连通处(该连接处分别称为二者的始端，另一端则称之为终端)、衰
减通道13和参考通道14连通处(该连接处分别称为二者的始端，另一端则称
之为终端)分别设置两个由分束棱镜形成的第一分束器1171和第二分束器1172，
使光信号被连续分束，最终分成三束后分别进入三路分通道；三路分通道中，
吸收通道12经直角拐弯后与衰减通道13平行，吸收通道内在所述直角拐弯处
设置直角棱镜121，吸收通道12和衰减通道13的终端分别设置统一高度和方向
的蓝宝石窗口，分别定义为第一吸收窗口122和第一衰减窗口131，参考通道
14内设置第一汇聚镜组61；
如图3所示，探测单元3包括三路接收通道，分别定义为吸收接收通道31、
衰减接收通道32和参考接收通道33；吸收接收通道31和衰减接收通道32分别
开有统一高度和方向的蓝宝石窗口，分别定义为第二吸收窗口311和第二衰减
窗口321，参考接收通道33一端(称为终端)与发光单元1的参考通道通过光
纤5连接，另一端(称为始端)连通至衰减接收通道32内部；吸收接收通道31
内还设有匀化器312和能量收集器313；衰减接收通道32内，在靠近第二衰减
窗口321的一端设置第二快门组件322，在与参考接收通道33连通处设置合束
器323，在远离第二衰减窗口的一端还设有第二汇聚镜组62；参考接收通道33
的光纤连接端设置第三快门组件331，顺光路方向还设置有第三汇聚镜组63；
采样单元2包括第一水样通道21和第二水样通道22，第一水样通道21两
端开放，分别连接第一吸收窗口122和第二吸收窗口311，第二水样通道22两
端开放，分别连接第一衰减窗口131和第二衰减窗口321，两个水样通道均设置
有水样进、出口；第一水样通道21内壁经镀高反射膜层处理，第二水样通道22
内壁表层经发黑处理；第一水样通道21和第二水样通道22均为可拆卸管道，
端部与各窗口活动连接；
信号采集分析单元4设有两台光谱分析仪，分别通过光纤5与探测单元3
的吸收接收通道31和衰减接收通道32连接；
探测单元3后部配有电源接口、电控及数传接口。电动快门和光源开关均
由外接的控制器通过控制线缆统一控制，此外采样单元2还设有线缆通道23，
线缆通道23负责保护供电线缆、光纤和控制线缆，将各种线缆由发光单元1传
输到探测单元3。
本发明水体光吸收衰减系数测量仪中，发光单元为水体参数测量提供光谱
丰富性能稳定的光源；采样单元主要实现水体样品的采样；探测单元实现光辐
射信号的探测，该信号中携带着水体的参数信息；信号采集分析单元可以对探
测到的信息进行光谱分析，为水体衰减和吸收参数计算提供基础参数数据。
本实施例测量仪使用时，上述最优选的测量仪工作原理大致如下：高稳定
卤钨灯的光源112出射的光辐射经过聚光罩111和聚光组件113成像到光阑组件
115位置，在光路中设置衰减组件114实现光强可控，为系统获得较高信噪比提
供调节量。第一快门组件116实现整个光路的截断，可以对系统暗噪声测量提
供手段。分束器(包括均由分束棱镜形成的第一分束器1171和第二分束器1172)
实现光路四通路设计，使分出的光信号分别进入衰减通道13、吸收通道12和参
考通道14。衰减通道13的光信号通过第一衰减窗口131输出进入第二水样通道
22，其内壁为经发黑处理的吸收通道，可以吸收海水的杂散光信号。吸收通道
12的光信号通过第一吸收窗口122输出进入第一水样通道21，其内壁为镀高反
射膜层处理的通道，可以反射海水的杂散光信号。参考通道14光信号经过第一
汇聚镜组61由光纤5经线缆通道23传至探测单元3。光源112的供电线缆，快
门的控制线缆及供电线缆一起经过线缆通道23传递到探测单元3，并交由外接
的控制器进行统一控制。光信号经过第二衰减窗口321进入探测单元3，合束器
323可以将参考接收通道33的光信号和衰减接收通道32的光信号合并进入光谱
分析仪，第二快门组件322和第三快门组件331负责光路通断，可以实现衰减
接收通道32测量和参考接收通道33的光信号的选择性测量。光信号经过第二
吸收窗口311进入探测单元3，匀化器312可以将由吸收通道的大角度入射光进
行接收，经能量收集器313收集后，由光纤5进入光谱分析仪。
实施例2
一种水体光吸收衰减系数的测量方法，可对海水、湖水和河水中的任一种
水体进行测量，其采用实施例1所述的测量仪，包括以下步骤：
步骤1、开启水体光吸收衰减系数测量仪中发光单元1主通道11内的光源
112，光源112发出的光信号经过聚光组件113、衰减组件114、光阑组件115
的调节，在主通道11内被输送至第一快门组件116。
步骤2、开启第一快门组件116，使光信号被传输至第一分束器1171和第
二分束器1172，第一分束器1171和第二分束器1172将光信号分为三路，分别
进入吸收通道12、衰减通道13和参考通道14。
步骤3、将待测水体分别从第一水样通道21和第二水样通道22上设置的水
样进口引入第一水样通道21和第二水样通道22，并同时进行下述步骤的操作：
经吸收通道12到达第一吸收窗口122的第一路光信号从第一吸收窗口122
进入第一水样通道21，穿过待测水体，经第二吸收窗口311进入吸收接收通道
31，再经聚光处理后经光纤传递至光谱分析仪，作为第一反馈光信号(即吸收
信号)被测量；
经衰减通道13到达第一衰减窗口131的第二路光信号从第一衰减窗口131
进入第二水样通道22，穿过待测水体，经第二衰减窗口321进入衰减接收通道
32，再经聚光处理后经光纤传递至光谱分析仪，作为第二反馈光信号(即衰减
信号)被测量；
进入参考通道14的第三路光信号经过第一汇聚镜组61进行聚光处理后通
过光纤传递到参考接收通道33，再经光纤传递至光谱分析仪，作为第三反馈信
号(即参考信号)被测量。
步骤4、测量得到的第一反馈光信号、第二反馈光信号和第三反馈光信号的
结果分析得到水体光吸收衰减系数。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限
制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本
案的专利范围中。