用于海洋拖曳系統(tǒng)的吸光度傳感器設計與研制

薛慶生，郝錫杰，王福鵬

（中國海洋大學 信息科學與工程學部 物理與光電工程學院， 青島 266100）

0 引言

海水固有光學特性的測量通過主動方式進行，只與海水自身的物理性質和光學特性有關，與環(huán)境光場無關，包含光束吸收系數、散射系數和衰減系數等［1］。吸光度是描述海水光學特性的一個重要參量，是指一束平行光線通過海水前的入射光強度V0與該光線通過海水后的透射光強度V1比值的以10 為底的對數，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光的衰減程度，屬于水體固有光學性質的一種［2］。研究發(fā)現，純水對紅光吸收最強，隨波長增大吸收也有增強，藍綠光在純水中的穿透性最強，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濃度的影響，包含水中浮游植物、溶解有機物、懸浮粒子等［3-6］，通過測試海水相對于超純水的吸光度，可以反映出海水中微粒的組成分布情況，因此海水吸光度測量可用于水質監(jiān)測、分析海水物質的組成成分和含量。海水吸光度結果對于水下光通信、光譜探測等領域具有重要指導作用［7-10］，透明度信息對于潛艇的安全航行、水雷布防等均具有極大的參考價值［2，11-14］。

目前，針對海水原位吸光度測試的設備主要集中于美國海鳥公司和HOBI Labs 生產的相關水質測量傳感器［15-17］，其中較有代表性的為海鳥公司的C-Star 透射計，C-Rover 透射計及AC-S 高光譜吸收衰減測量儀，HOBI Labs 公司的產品主要有a-Sphere 原位分光光度計及Gamma 系列光衰減測量儀，其中a-Sphere 原位分光光度計是基于積分球原理設計的。除此之外，德國Trios 公司的也提供了一種可用于原位吸光度測量的傳感器VIPER［18-19］。國內從20 世紀80年代起逐漸開始進行海洋探測設備的研究，關于海水吸光度的研究也比較少，大多數研究仍是基于實驗室環(huán)境進行的模擬仿真測試，還未發(fā)展出可實際用于原位測量的吸光度傳感器，目前已知的相關儀器有單通道激光衰減測量儀和基于雙光路原理的海水IOPs 高光譜測量儀［20-25］。

目前海洋原位剖面觀測的實現方法大都基于定點式浮標、潛標或船基觀測平臺，定點式剖面觀測無法進行大范圍水域的性質探測，以定點式測量數據代表某個區(qū)域海水的整體性質會有較大誤差。拖曳式觀測系統(tǒng)在拖曳鏈上分布多個傳感器模塊，通過走航式連續(xù)觀測，實現對測試海域海水性質的原位立體剖面探測。

為獲取高時空分辨率的吸光度現場測量數據，現有設備無法滿足測量需求，主要原因有：1）現有吸光度設備可測量光譜信息較少，如：C-Star 透射計、單通道激光衰減測量儀等，由于海水中的粒子對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的濃度特征，若要實現多波段測量，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）現有高光譜型的吸光度測量設備價格昂貴、體積較大，如AC-S 高光譜吸收衰減測量儀、VIPER 測量儀等，使用光譜儀作為傳感器的光電探測器，一定程度上可以實現寬波段探測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，現有設備在儀器價格、系統(tǒng)集成及功耗等方面均不適用于海洋拖曳觀測系統(tǒng)，無法實現高分辨率的吸光度原位探測。

為適應海洋拖曳觀測系統(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、可進行大范圍長時間測量等特點。本文設計了一種用于海洋拖曳觀測系統(tǒng)的吸光度傳感器，通過搭載科考船，利用走航觀測方式，實現海洋吸光度的大范圍探測。

1 吸光度傳感器設計原理

為實現低功耗、小體積、高精度的用于拖曳觀測系統(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器，二者從體積、功耗、壽命等方面具有較高的性價比；吸光度傳感器包含高穩(wěn)定性光源模塊和高信噪比信號探測模塊，為實現多波段吸光度測量，選取LED 作為吸光度傳感器的光源，接收端選取對應波段的窄帶濾光片，8 個通道采取相同的光機結構并排排列，實現傳感器的高集成度。

單個通道的具體實現原理如圖1 所示。LED 光源經小孔光闌后由發(fā)射端準直透鏡組準直后從發(fā)射端窗口出射，通過海水介質后，再依次經過接收端窗口、帶通濾光片最后由聚焦透鏡聚焦在接收端探測器靶面上。LED 采用781.25 Hz 的正弦波調制發(fā)光，以此來減小電路中1/f噪聲的干擾；在發(fā)射端LED 光源側面經帶通濾光片后放置貼片式參考探測器，監(jiān)測LED 發(fā)光強度變化，以此來校準光源波動對吸光度結果的影響；接收端探測器接收模擬信號經跨阻放大、帶通濾波電路進入AD 采集，信號通過單片機進行數字鎖相處理，通過與高截止深度的窄帶濾光片配合實現對背景干擾光的抑制，以此來實現明場環(huán)境下的高精度吸光度探測。

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

1.1 吸光度檢測原理

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

值得注意的是，在給出吸光度數據時，同時應給出路徑長度參數［27］。光束衰減系數c可表示為

式中，T為光束透過率，L為海水介質的光學路徑長度。吸光度值A可表示為

傳感器制作完成后，路徑長度L為固定參數，吸光度值A與光束衰減系數c的轉換關系為

海水吸光度測量通過測定海水相對于標準溶液（一般為超純水）的吸光度，根據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，吸光度對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為測量海水時入射光強度，V1sea為測量海水時透射光強度，V0ref為測量超純水時入射光強度，V1ref為測量超純水時透射光強度，A為海水相對于超純水的吸光度。式（4）也體現了在LED 光源處設計參考探測器的必要性，以此來校正測量過程中光源波動變化對吸光度值的影響。

1.2 數字鎖相放大器原理

傳統(tǒng)鎖相放大器采用模擬混頻器和RC 濾波器實現解調，模擬鎖相放大器存在硬件設計復雜、功耗高、增益誤差大等問題；隨著數字信號處理技術的發(fā)展，數字鎖相放大器逐步取代模擬鎖相放大器被廣泛應用，數字鎖相放大器輸入噪聲小、硬件電路簡單、穩(wěn)定性高、功耗小，非常適合于海洋傳感器進行微弱信號處理［28］。

鎖相放大器的實現原理如圖2 所示，傳感器采用781.25 Hz 的正弦信號調制LED 發(fā)光，光電探測器接收待測信號后，經前置放大、帶通濾波后進入AD 采集，與參考信號基于互相關檢測原理進行信號解調，參考信號使用與待測信號頻率相同、相位差為0 的正弦信號，通過乘法器與低通濾波器后得到與待測信號幅度相關的輸出信號。

吸光度傳感器進行原位測量時，會受到太陽光的極大干擾，本文設計的用于海洋拖曳觀測系統(tǒng)的吸光度傳感器可用于明場環(huán)境探測，對背景光的抑制主要從兩方面進行：從光學角度，在光路中使用高截止深度濾光片對帶外寬波段背景光進行濾除，且通過對多通道不同波長的探測系統(tǒng)進行排布，也可進一步減小相鄰波長通道散射光的影響；從電子學角度，采用數字鎖相放大技術抑制低通濾波器帶寬外的噪聲信號。

1.3 傳感器關鍵部件及參數

針對海洋拖曳觀測系統(tǒng)的吸光度傳感器設計要求，從體積、功耗、響應速度及實際應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器，使用光譜儀作為光電探測器進行原位探測易受環(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。

本文設計的吸光度傳感器是一種多波段的測量系統(tǒng)，中心波長分別是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據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不同測量需要進行靈活調整，如可以將其中一個通道替換為254 nm 通道進行TOC 和COD 濃度等的測量。

吸收池路徑長度是傳感器的一個關鍵參數，目前國際領先設備常使用的路徑長度有10 mm、100 mm、250 mm 等，吸收池路徑越長，傳感器靈敏度越高，但路徑長度太長容易受到氣泡的影響，氣泡對于光學傳感器的影響極大，也會影響對數據的分析判斷。不同的路徑長度可適用于不同海域海水的測量，在清澈海域進行吸光度測量應選取較長路徑的吸收池，或者可以考慮使用反射式光路來實現較長的路徑長度，本文設計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，選取吸收池路徑長度為10 mm。

2 吸光度傳感器硬件設計

吸光度傳感器的研制過程，包含光、機、電組件小型化設計，通過優(yōu)化光路設計、機械結構設計、電路設計實現可用于海洋拖曳觀測系統(tǒng)的高精度吸光度傳感器研制，8 個通道的光學、機械結構及探測電路采用一體小型化設計，分別嵌入到發(fā)射端和接收端結構中，最大程度壓縮傳感器的體積，實現8 個波段的吸光度同步探測，并形成成熟的裝配工藝。吸光度傳感器工作功耗為2.10 W。

為實現傳感器的高集成度，傳感器8 個波段的吸光度探測通道采取并排排列的設計方案，接下來以單通道吸光度系統(tǒng)介紹傳感器的光機結構及集成電路設計。

2.1 光路設計

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

吸光度值的測量誤差受部分前向散射光的影響，傳感器的設計差異會導致不同的測量精度，不同類型的傳感器有不同的使用標準，吸光度測量系統(tǒng)一般不進行散射校正，因此在吸光度測量系統(tǒng)設計過程中，應盡可能減小前向散射光及其背景雜散光的影響，使光電探測器的接收角盡可能小［26］。吸光度傳感器單通道光學系統(tǒng)結構圖如圖3 所示，探測器靶面上的輻照度分布圖如圖4 所示。

圖3 單通道光學系統(tǒng)結構Fig.3 Single channel optical system structure diagram

圖4 探測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 電路設計

吸光度傳感器電路設計主要包括LED 驅動電路、參考及透射端光電檢測電路及單片機控制電路。為優(yōu)化傳感器集成度，LED 驅動電路及光電檢測電路均需要嵌入到發(fā)射端及接收端模塊內部，多通道吸光度并排排列的光機結構設計有利于電路板的集成設計，但電路板體積受機械支撐結構的限制，對電路板的器件布局和走線有較高要求。

LED 驅動電路設計需考慮多個LED 的發(fā)光效率和正向偏壓，不同波段的LED 正向導通電壓有較大區(qū)別，本傳感器設計一種大動態(tài)電壓范圍的恒流驅動電路驅動LED 發(fā)光。參考及透射端光電檢測電路主要包括光電轉換、跨阻放大及增益電路；LED 在上電工作初期，發(fā)光強度會有一定程度的漂移，為了消除LED 開啟初期以及工作過程中因LED 發(fā)光效率改變對吸光度測量結果的影響，需要設計參考探測器電路對LED的發(fā)光效率進行監(jiān)測，從而對測得的吸光度值進行校準。

單片機控制電路包括4 部分功能，1）提供8 通道穩(wěn)定的781.25 Hz 的正弦信號，輸入到LED 驅動電路激發(fā)LED 發(fā)光；2）參考端探測器檢測電路的信號處理；3）透射端探測器檢測電路的信號處理，對提供的信號進行帶通濾波后在單片機內部實現數字鎖相處理；4）使用232 通信方式與上位機模塊實現通信及數據傳輸。單片機控制電路布局如圖5 所示。

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

2.3 機械結構設計

吸光度傳感器機械結構設計主要包含對LED 光源、光學透鏡組件、光電二極管以及集成電路板等元件的機械支撐，光學透鏡組件通過光路設計仿真確定，整體機械結構使用8 通道并排排列的方式，為傳感器提供穩(wěn)固的機械結構支撐；值得注意的是，為增強表貼型參考探測器的信號，LED 支撐件內腔進行亮面處理；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、機械外殼的反射等對吸光度值的影響，傳感器外殼均進行硬質陽極氧化發(fā)黑處理。吸光度傳感器單通道光機結構剖面圖如圖6 所示。

圖6 單通道光機結構剖面圖Fig.6 Single channel optical mechanical structure profile

吸光度傳感器內部結構如圖7 所示，主要包含發(fā)射端組件和接收端組件，傳感器裝配實物圖如圖8 所示。

圖7 傳感器內部結構圖Fig.7 Internal structure diagram of sensor

圖8 傳感器裝配實物圖Fig.8 Picture of sensor assembly

本文設計的吸光度傳感器用于海洋拖曳觀測系統(tǒng)，該拖曳觀測系統(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)境安全及水質監(jiān)測提供重要技術支持與數據支撐。各傳感器在拖曳觀測系統(tǒng)的單個集成模塊中的排布示意圖如圖9 所示。

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

3 實驗結果

為驗證研制吸光度傳感器的性能，使用吸光度傳感器在實驗室環(huán)境下進行精度測試，對數據進行分析，并使用德國Trios 公司生產的VIPER 測量儀進行比對測試，以此驗證傳感器的適用性及可靠性。此外，傳感器還搭載拖曳觀測系統(tǒng)在中國南海進行海試試驗，傳感器在試驗過程中功能正常，并獲得了部分南海海水的吸光度剖面數據。

3.1 實驗室內傳感器精度測試

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

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

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

3.2 比對試驗測試

所使用的比對設備為德國Trios 公司生產的VIPER 測量儀，VIPER 測量儀使用5 個波段的集成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器，測量波段范圍為347 nm～720 nm，吸收池光程也為10 mm。在實驗室水槽內進行過濾海水測量，吸光度傳感器共進行了約0.5 h 的長期測試，取測量時間段內的均值作為對應通道中心波段的吸光度值，比對結果示意圖如圖10 所示。

圖10 吸光度傳感器與VIPER 比對結果圖Fig.10 Comparison between Absorbance sensor and VIPER

從圖10 可以看出，吸光度傳感器與VIPER 測量儀的結果在370～625 nm 的吸光度值具有較強的一致性，在347 nm 處VIPER 測量儀的吸光度數值過大，可能由于其集成LED 光源在該波長處的信號強度過低，導致探測結果出現偏差；在370～625 nm 處吸光度值上的微小差異可能由以下原因造成：兩個傳感器的光譜分辨率不同，VIPER 測量儀使用光譜儀作為探測器，吸光度傳感器光電二極管接收到的信號帶寬是由濾光片與LED 光源共同決定的，該差異會導致吸光度值的微小偏差。

3.3 南海海水測試

所研制的吸光度傳感器搭載于拖曳觀測系統(tǒng)在中國南海部分海域進行海試試驗，拖曳觀測系統(tǒng)同時還包含高精度溫度、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，測量0～210 m 左右水深的吸光度值，吸光度傳感器使用拖曳時間內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據如圖12 所示。從整體數據上分析，所測試海域的海水在測量深度范圍內，同一波長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 結論

本文設計完成了一種用于海洋拖曳觀測系統(tǒng)的吸光度傳感器，該傳感器可用于明場環(huán)境探測，也可獨立用于近岸水域吸光度值的原位探測。該傳感器使用LED 和光電二極管作為傳感器的光源和探測器，使得傳感器實現多波段吸光度探測，從光路、電路及機械結構多方面進行優(yōu)化設計實現傳感器的小型化、高精度、低功耗等優(yōu)點。經實驗室精度驗證測試，吸光度傳感器的測量精度優(yōu)于0.000 1 AU。除此之外，吸光度傳感器搭載拖曳觀測系統(tǒng)在南海部分海域的吸光度值測量獲得了較好的結果。

所研制的吸光度傳感器可以實現吸光度值的連續(xù)監(jiān)測，且通過光學濾光片及數字鎖相技術實現明場環(huán)境下的吸光度探測，避免了環(huán)境光的干擾，也可以應用于海洋浮標、拖曳觀測平臺、船基觀測平臺等，具備廣泛的應用前景。