第二章 光纤剖面光谱仪硬件研发
第二章 光纤剖面光谱仪硬件研发
2.1 主要设计思想
2．1．1核心部件：
1、本实验室配有一台用于测量表面光谱的GER1500便携式光谱仪[1]，详细参数见表3：
表3 GER1500光谱仪详细参数
产地 美国 主要用途 野外 光谱范围(nm) 350～1050 波段数 512 光谱分辨率(nm) 3 积分速度(ms) 5～60 视场角(°FOV) 4、8 内存 最大可存储483个数据 2、南京春辉科技实业有限公司提供的光纤，详细参数见表4：
表4 光纤详细参数
光纤种类 规格 芯径 0.6mm 数值孔径 0．37 长度 15m 其它 两端SMA端子 石英光纤 PCS光纤
3、向安徽光激所采购了可见光波段范围内反射率均接近100%的漫反射板。 2．1．2通过光纤采集水下信号：
硬质连杆 浮子系统 光谱仪、笔记本电脑船体 水下探头光纤电缆海水流向 图1 剖面仪现场使用示意图
如图1所示，通过硬质连杆使浮子系统远离船体（无阴影一侧），光纤一端接入表面光谱仪，另一端经过硬质连杆进入水下，水下探头部分所采集的光信号通过光纤传到船上的光谱仪中，从而实现水下剖面光谱测量。水下剖面仪一般需要一个带有防水罩的电子余弦积分器，我们通过接入一根光纤省掉了这个复杂的电子余弦积分器。测量上行光信号时，上行光通过光纤探头直接进入表面光谱仪。见图2：
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光纤 镜头
图2 光纤探头水下测量示意图
2．1．3通过漫反射板实现下行光测量：
我们通过加装一块反射率为100%的漫反射板来实现下行光的测量，如图所示：
光纤 漫反射板
图3 加装漫反射板实现下行光测量 [the plaque appears dirty?]
加装一块在空气中反射率为100%的漫反射板在光纤探头下方1cm处，这样，理论上讲下行光照到白板上后，会实现向上100%漫反射，其中有一定角度范围内的光将进入光纤探头，而由漫反射板某一角度内的辐射率，可以推出整个半球面内的向下辐照度。由此实现了下行光的测量。为了保证不受太阳耀斑的影响，我们将光纤探头与竖直方向倾斜30度，由于漫反射板的反射光是均匀地朝向整个半球面的，所以不会影响采集光信号的正确性。
2．2设计的难点及解决办法：
2．2．1 深度控制：
为了精确指示水下探头测量时的深度，我们从北京昆仑海岸传感技术中心购买了电缆连接液位变送器（以下简称液位计）,液位计主要参数见表5：:
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表5 液位计参数
项目 厂家名 型号 量程 供电电压 输出信号 准确度 环境温度 负载能力 特点
北京昆仑海岸传感技术中心
JYB-KB-LVD
10m 24VDC
1-5V RS232（串口输出） A级≤±0.25％F·S
0-50℃ ≥3KΩ（电压输出） 激光调阴温度补偿，使用温域宽 进口扩散硅芯片，长期稳定性好 防浪涌电压，极性反向保护 搞干扰设计，适合恶劣使用环境
功耗低，迟滞误差 投入式设计，使用简单 全密封外壳，安全可靠 可配液晶型，指针型显示表头
保护电缆连接 防爆等级：Exia II CT6 Exib II BT4
用途
可用于水厂、污水处理厂、城市供水、高楼水池、水井、矿井、工业水池、水罐、油池、
油罐、水文地质、水库、河道、海洋等场所
2．2．2 光纤接入光谱仪接头：
所选用的PCS光纤芯径大、数值孔径大（也就是出射入射光开角大），所以在光纤可以输出足够大范围的信号到光谱仪的接收端。但根据光纤耦合的要求，光纤头应尽量靠近光谱仪，以减少光信号损失，所以，并不是光斑照到光谱仪接收端就可以了，而是要在光斑完全覆盖光谱仪信号采集端的前提下，光纤尽可能地接近光谱仪光栅，由于GER公司没有合适的配件，所以自行加工一个接头，连接光纤与光谱仪。光纤输出端为SMA端子，光谱仪入射端为一非标准的内螺纹孔，所以加工一个全部外螺纹的接头（如图1所示），两端尺寸一端适合光纤的SMA端子，另一端适合光谱仪的入射端非标螺纹，中间为中空，中空直径与光纤头直径相匹配，在接头材料的选择上，考虑不锈钢在海上仍然会生锈，且硬度过大，与两端很难旋合紧，所以采用纯黑色塑钢，同时纯黑色可以避免接头内部反射对光纤信号造成污染。当两端都旋紧时，可以实现光纤与光谱仪的最佳耦合，此时光纤探头与光谱仪接收端距离最近且不漏光。
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图4 光纤与光谱仪接头
2．2．3 实现漫反射板自动切换
利用减速齿轮马达转速低、旋转力量大的特性，在减速齿轮马达的转轴上装一连杆，将漫反射板以与转轴相切的方向固定于连杆上，见图5。这样，当减速齿轮马达接入电源时，漫反射板可以实现水平面内做圆周旋转，实现漫反射板在光纤前自动切换的目的，并且，反向通电时，因为马达是直流电机，所以可以实现逆向回转，这样通过使用时间继电器控制马达的通电时间和电流方向，可以实现白板在一定范围、一定角度内的在光纤探头前自由切入、切出。考虑在水下使用，加工一个罩子罩在马达外面，转轴处安装水封，确保马达在水下工作时不会进水。
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封装好的马达 漫反射板 可在一定角度内旋
图5 减速齿轮马达与白板
2．2．4 0m海基准面的控制
在海上做实验时，实际上船的摆动是不与大海完全同步的，也就是说，放光纤出去，光纤探头总是在水下随着波浪上下起伏，而我们的设计方案就决定了我们不可能在同一时间同时测量上行光和下行光，这样就有可能导致上行光和下行光测量并不是在同一个水深上。为了实现测量时测量水层的相对深度不变，我们自己加工了一套浮子系统，浮子随海面上下漂动，即浮子为0m层，以浮子为基准向下释放时可以实现测量层与0m层的深度变化尽可能小（<0.03m），从而实现高深度精度分辨率（0.1m）的目的。
综合考虑了各方面的要求，浮子系统主要连接部分由8mm实心不锈钢制成，这样虽然在重量有会有所增加，但不锈钢硬度、强度大，可以尽可能地使三个浮子远离中心（以免造成阴影影响），同时又不会因为具有弹性太大而导致
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失去0m的指示作用。
中间连接处制成“U”型，以便尽可能地减小自阴影，每支脚长度0.6m，支脚和浮球都可拆卸折叠，方便携带。
浮球
图6 浮子系统
2．2．5 水下探头角度控制
水下光谱测量，必须始终指向同一水平方向，且不能受到自阴影的干扰，为了保证光纤探头指向的确定性及不被自己的阴影覆盖，就必须保证光纤探头在水平方向上的分量始终指向与太阳入射方向垂直的方向。因为海水是运动着，所以我们在中轴线上加一横向伸出的横杆，横杆上加装一面方向可调的小舵，由于水流的冲击，使舵总是指向流的运动方向，见图7。因此通过调整舵与光纤探头的夹角，就可以实现光纤探头总是指向同一方向，虽然流向，太阳入射方向，自阴影方向三者并不好协调，但总可以找到一个合适的角度来满足以上要求。
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光纤剖面光谱仪硬件研发15页+附录
