1.本技术涉及水下光学探测技术领域，更具体地，涉及一种水体多波长光学衰减系数测量装置及方法。
背景技术：2.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。水下无线光通信系统需要在各种实用条件下预估通信质量，为实际用户适时调整优化通信参数提供参考，因此，方便快捷的测量出通信水域光信号衰减系数显得尤为重要。
3.目前通常采用仪器来观测光能量在水中的衰减，以确定其对光的衰减系数，例如ac系列衰减系数测量仪等，然而该产品的价格达到数百万，且操作复杂，设备笨重。因此，提供一种成本低、体积小、操作简单、测量准确的水体光学衰减系数测量装置是当前水下无线光通信技术发展的一个重要环节。
技术实现要素：4.针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种水体多波长光学衰减系数测量装置及方法，使同样功率的两路光信号分别经历相同的器件，排除了器件之间的差异与的不完美性，提高了水体光学衰减系数测量的准确性。
5.为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种水体多波长光学衰减系数测量装置，包括水体样品测试腔室、波长选择装置、分束器、探测器和多个开关选择装置；其中，
6.所述水体样品测试腔室用于注入样品水体，以用于激光束在其中传输后测量，该水体样品测试腔室包括水体样本测试区与对比测试区，且所述水体样本测试区与对比测试区连通；
7.所述波长选择装置用于被控制以选择性透过由激光器发射的一定波长的激光束；
8.所述分束器用于将由所述波长选择装置选择性透过的激光束分为功率相同的第一激光束与第二激光束；
9.所述多个开关选择装置包括第一开关装置与第二开关装置，分别用于控制所述第一激光束与第二激光束的阻断或透过；其中，通过所述第一开关装置的所述第一激光束用于进入水体样本测试区进行传输并被所述探测器接收，通过所述第二开关装置的所述第二激光束用于进入所述对比测试区进行传输并被所述探测器接收，以此实现水体多波长光学衰减系数测量。
10.进一步的，上述水体多波长光学衰减系数测量装置，其中，所述第一激光束在水体样本测试区中的传输距离大于所述第二激光束在对比测试区中的传输距离。
11.进一步的，上述水体多波长光学衰减系数测量装置，其中，还包括第一全反射镜，
用于反射经通过所述第一开关装置的所述第一激光束，以使其进入所述水体样品测试腔室，且所述第一全反射镜被配置为经其反射的第一激光束垂直于所述水体样品测试腔室外侧壁进入水体样本测试区；
12.和/或，还包括第二全反射镜，用于反射经在所述对比测试区进行传输后的所述第二激光束，且所述第二全反射镜被配置为经其反射后的第二激光束的传输方向与所述探测器表面的法向重合。
13.进一步的，上述水体多波长光学衰减系数测量装置，其中，所述分束器被配置为使第二激光束垂直于所述水体样品测试腔室外侧壁进入对比测试区。
14.进一步的，上述水体多波长光学衰减系数测量装置，其中，还包括合束器，经水体样本测试区进行传输的第一激光束和经所述对比测试区进行传输的第二激光束先通过所述合束器进行反射和/或透射后再被上述探测器接收，且所述合束器被配置为使经其反射后的第一激光束的传输方向与所述探测器表面的法向重合。
15.进一步的，上述水体多波长光学衰减系数测量装置，其中，所述第一激光束与所述第二激光束在非水体介质中传输的光程差相等，所述光程差为所述第一激光束与第二激光束在非水体介质中的传输距离。
16.进一步的，上述水体多波长光学衰减系数测量装置，其中，所述探测器的探测面积大于接收激光束的光斑面积。
17.按照本发明的第二个方面，还提供了一种水体多波长光学衰减系数测量方法，包括以下步骤：
18.s1：在水体样品测试腔室内注入样品水体，形成水体样本测试区和对比测试区；
19.s2：将经过波长选择装置选择的待测激光束，分为第一激光束与第二激光束；
20.s3：阻断所述第二激光束，使第一激光束进入水体样本测试区，通过第一水体样本测试区后由探测器接收，测量其到达探测器的光功率；
21.s4：阻断所述第一激光束，使所述第二激光束进入对比测试区，并在通过对比测试区后由探测器接收，测量其到达探测器的光功率；
22.s5：根据测量的光功率以及两束激光束分别在水体样本测试区中和对比测试区中的传输距离，按照水体光学衰减系数公式计算得到水体光学衰减系数。
23.进一步的，上述水体多波长光学衰减系数测量方法，其中，所述水体样本测试区与对比测试区中的水体为同一水体。
24.进一步的，上述水体多波长光学衰减系数测量方法，其中，所述探测器的探测面积大于接收激光束的光斑面积。
25.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
26.(1)本发明提供的水体多波长光学衰减系数测量装置及方法，使同样功率的两路光信号分别经历相同的器件，排除了器件之间的差异与的不完美性，保证了水体光学衰减系数测量的准确性；
27.(2)本发明提供的水体多波长光学衰减系数测量装置及方法，将水体样品测试腔室分为连通的水体样本测试区与对比测试区，使相同功率的激光束通过同一水体的传输距离不同，并设置其通过的界面相同，并可设置其在非水体介质中传输的光程差相等，对比测
量出光衰减系数，排除了界面传输差异，并可排除空气传输的差异；
28.(3)本发明提供的水体多波长光学衰减系数测量装置，将全部器件设置于水体外部，延长了器件的使用寿命，也方便器件的维护；
29.(4)本发明提供的水体多波长光学衰减系数测量装置，设置了波长选择装置，可以测量不同波长及频率的光信号的光衰减系数，成本较低，操作简单。
附图说明
30.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本技术实施例提供的一种水体多波长光学衰减系数测量装置结构示意图；
32.图2为本技术实施例提供的另一种水体多波长光学衰减系数测量装置结构示意图；
33.图3为本技术实施例提供的一种水体多波长光学衰减系数测量方法流程示意图；在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：
34.1 激光器
35.2 波长选择装置
36.3 分束器
37.4 第一开关装置
38.5 第一全反射镜
39.6 合束器
40.7 第二开关装置
41.8 第二全反射镜
42.9 探测器
43.10 水体样品测试腔室
44.11 进水口
45.12 第一出水口
46.13 第二出水口。
具体实施方式
47.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
48.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
49.一方面，本技术提供一种水体多波长光学衰减系数测量装置，图1为本技术实施例提供的一种水体多波长光学衰减系数测量装置结构示意图。请参阅图1，该装置包括水体样品测试腔室10、激光器1、波长选择装置2、分束器3、合束器6、探测器9、多个开关选择装置以及多个全反射镜。其中，激光器1、波长选择装置2、分束器3、合束器6、探测器9、多个开关选择装置以及多个全反射镜均被设置于样品测试腔室10之外，延长了器件的使用寿命，也方便器件的维护。
50.其中，水体样品测试腔室10为倒t字形结构，包括进水口11、第一出水口12以及第二出水口13，其通过倒t字形结构区分水体样品测试区与对比测试区，水体样品测试区与对比测试区连通，将第一出水口12与第二出水口13堵住，通过进水口11向水体样品测试腔室10注入样品水体，形成水体样品测试区与对比测试区，且水体样品测试区与对比测试区中的水体为同一水体。水体样品测试腔室10为均匀透明材质或其侧壁为完全一致的均匀透明材质，在一个具体的实施例中，测试腔室10可以选用玻璃、pvc、树脂、石英等材质。
51.激光器1发出的激光束为小发散角光源或准直光源，并且为宽带光源或具有一定线宽的激光光源。
52.波长选择装置2接收激光器1发射的激光束并进行过滤，选择性输出一定波长和频率的激光束，通过调控波长选择装置2能够输出不同波长的激光束，水体多波长光学衰减系数测量装置通过调控波长选择装置2能够实现测量不同波长的光学衰减系数。在一个具体的实施例中，波长选择装置可选用窄带滤光片、透射型光栅或者fp标准具。
53.分束器3接收波长选择装置2透过的激光束，将激光束分为两束功率相同的第一激光束与第二激光束，其中，第一激光束的传输方向与波长选择装置2透过的激光束的传输方向相同，第二激光束的传输方向与波长选择装置2透过的激光束的传输方向具有一定的夹角，分束器3被设置为使第二激光束垂直于水体样品测试腔室外侧壁进入对比测试区。
54.第一开关装置4与第二开关装置7用于透过或阻断激光束，分别被设置于第一激光束与第二激光束的传输方向上，且不同时开启或不同时关闭。
55.第一全反射镜5与第二全反射镜8为等腰直角三角形棱镜，第一全反射镜5被配置为经其反射的第一激光束垂直于水体样品测试腔室10外侧壁进入水体样本测试区，第二全反射镜8被配置为经其反射后的第二激光束的传输方向与探测器9表面的法向重合。
56.合束器6将第一激光束反射至探测器9，将第一激光束透射至探测器9，合束器6被配置为使经其反射后的第一激光束的传输方向与探测器9表面的法向重合，通过合束器6的第二激光束的传输方向不变。探测器9用于接收第一激光束与第二激光束，且分别探测出第一激光束与第二激光束的光功率，并且探测器9的探测面积大于接收激光束的光斑面积。在一个具体的实施例中，探测器9可选用光功率计、照度计、单点探测器或者面阵探测器。
57.下面对本实施例提供的水体多波长光学衰减系数装置的工作过程进行简要说明。工作时：激光器1发射激光束，该激光束透过波长选择装置2到达分束器3，分束器3将该激光束分为第一激光束与第二激光束，打开第一开关装置4关闭第二开关装置7，第一激光束通过第一开关装置4被第一全反射镜5反射垂直于水体样品测试腔室10外侧壁进入水体样本测试区，通过水体样本测试区后由合束器6反射至探测器9被探测器9接收，测量第一激光束的光功率p1；关闭第一开关装置4打开第二开关装置7，第二激光束垂直于水体样品测试腔室10外侧壁进入对比测试区，通过对比测试区后由第二全反射镜8反射至合束器6，穿过合
束器9后被探测器9接收，测量第二激光束的光功率p2。
58.第一激光束在水体样本测试区中的传输距离为l1，第二激光束在对比测试区中的传输距离为l2，且l1大于l2；按照水体光学衰减系数公式c＝|p
1-p2|/|l
1-l2|，计算得到水体光学衰减系数c。在一个具体的实施例中，l2可以非常小，只需满足水体样品测试腔室的进水要求即可。
59.本技术还提供了另一种水体多波长光学衰减系数测量装置，图2为本技术实施例提供的另一种水体多波长光学衰减系数测量装置结构示意图。请参阅图2，合束器6将将第一激光束透射至探测器9，第二激光束反射至探测器9，合束器6被配置为使经其反射后的第一激光束的传输方向与探测器9表面的法向重合，通过合束器6的第二激光束的传输方向不变。其中，各器件的安装条件满足a+b＝c。
60.其工作过程为：激光器1发射出激光束，该激光束透过波长选择装置2到达分束器3，分束器3将该激光束分为第一激光束与第二激光束，打开第一开关装置4关闭第二开关装置7，第一激光束通过第一开关装置4被第一全反射镜5反射垂直于水体样品测试腔室10外侧壁进入水体样本测试区，通过水体样本测试区后被第二全反射镜8反射至合束器6，穿过合束器9后被探测器9接收，测量第一激光束的光功率；关闭第一开关装置4打开第二开关装置7，第二激光束垂直于水体样品测试腔室10外侧壁进入对比测试区，通过对比测试区后由合束器6反射至探测器9，被探测器9接收，测量第二激光束的光功率。
61.另一方面，本技术提供一种水体多波长光学衰减系数测量方法，图3为本技术实施例提供的一种水体多波长光学衰减系数测量方法流程示意图。请参阅图3，该方法步骤包括：
62.s1：在水体样品测试腔室内注入样品水体，形成水体样本测试区和对比测试区；
63.其中，水体样本测试区和对比测试区是连通的，注入的水体是同一种水体，注入样品水体后，调节所有器件的位置，使激光器发出的激光束能够正好被探测器所接收。
64.s2：将经过波长选择装置选择的待测激光束，分为第一激光束与第二激光束；
65.s3：阻断所述第二激光束，使第一激光束进入水体样本测试区，通过第一水体样本测试区后由探测器接收，测量其到达探测器的光功率p1；
66.s4：阻断所述第一激光束，使所述第二激光束进入对比测试区，并在通过对比测试区后由探测器接收，测量其到达探测器的光功率p2；
67.s5：根据测量的光功率以及两束激光束分别在水体样本测试区中和对比测试区中的传输距离，按照水体光学衰减系数公式计算得到水体光学衰减系数。
68.第一激光束在水体样本测试区中的传输距离为l1，第二激光束在对比测试区中的传输距离为l2，且l1大于l2；按照水体光学衰减系数公式c＝|p
1-p2|/|l
1-l2|，计算得到水体光学衰减系数c。在一个具体的实施例中，l2可以非常小，只需满足水体样品测试腔室的进水要求即可。
69.对于图2的水体多波长衰减系数测量装置，第一激光束的传输光路和第二激光束的传输光路除了在水中的传输距离相差|l
2-l1|以外，在非水体介质即空气中的传输的光程差也相等。对于图1的水体多波长衰减系数测量装置，由于空气光学衰减系数不到水体光学衰减系数的千分之一，因此由空气距离差异带来的光学衰减相对于水体光学衰减来说也为不到其千分之一，相对于测量精度来说可以忽略不计，也可以采用真空完全消除本装置中
的空气光学衰减差异，因此按照水体光学衰减系数公式，得到水体光学衰减系数c，并且可以根据需要进行多次测量，取平均值得到最终的水体光学衰减系数。
70.需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。
71.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
72.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些服务接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
73.以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
74.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
75.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种水体多波长光学衰减系数测量装置，其特征在于，包括水体样品测试腔室、波长选择装置、分束器、探测器和多个开关选择装置；其中，所述水体样品测试腔室用于注入样品水体，以用于激光束在其中传输后测量，该水体样品测试腔室包括水体样本测试区与对比测试区，且所述水体样本测试区与对比测试区连通；所述波长选择装置用于被控制以选择性透过由激光器发射的一定波长的激光束；所述分束器用于将由所述波长选择装置选择性透过的激光束分为功率相同的第一激光束与第二激光束；所述多个开关选择装置包括第一开关装置与第二开关装置，分别用于控制所述第一激光束与第二激光束的阻断或透过；其中，通过所述第一开关装置的所述第一激光束用于进入水体样本测试区进行传输并被所述探测器接收，通过所述第二开关装置的所述第二激光束用于进入所述对比测试区进行传输并被所述探测器接收，以此实现水体多波长光学衰减系数测量。2.如权利要求1所述的水体多波长光学衰减系数测量装置，其中，所述第一激光束在水体样本测试区中的传输距离大于所述第二激光束在对比测试区中的传输距离。3.如权利要求1所述的水体多波长光学衰减系数测量装置，其中，还包括第一全反射镜，用于反射经通过所述第一开关装置的所述第一激光束，以使其进入所述水体样品测试腔室，且所述第一全反射镜被配置为经其反射的第一激光束垂直于所述水体样品测试腔室外侧壁进入水体样本测试区；和/或，还包括第二全反射镜，用于反射经在所述对比测试区进行传输后的所述第二激光束，且所述第二全反射镜被配置为经其反射后的第二激光束的传输方向与所述探测器表面的法向重合。4.如权利要求1所述的水体多波长光学衰减系数测量装置，其中，所述分束器被配置为使第二激光束垂直于所述水体样品测试腔室外侧壁进入对比测试区。5.如权利要求1所述的水体多波长光学衰减系数测量装置，其中，还包括合束器，经水体样本测试区进行传输的第一激光束和经所述对比测试区进行传输的第二激光束先通过所述合束器进行反射和/或透射后再被上述探测器接收，且所述合束器被配置为使经其反射后的第一激光束的传输方向与所述探测器表面的法向重合。6.如权利要求1所述的水体多波长光学衰减系数测量装置，其中，所述探测器的探测面积大于接收激光束的光斑面积。7.一种水体多波长光学衰减系数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：在水体样品测试腔室内注入样品水体，形成水体样本测试区和对比测试区；s2：将经过波长选择装置选择的待测激光束，分为第一激光束与第二激光束；s3：阻断所述第二激光束，使第一激光束进入水体样本测试区，通过第一水体样本测试区后由探测器接收，测量其到达探测器的光功率；s4：阻断所述第一激光束，使所述第二激光束进入对比测试区，并在通过对比测试区后由探测器接收，测量其到达探测器的光功率；s5：根据测量的光功率以及两束激光束分别在水体样本测试区中和对比测试区中的传输距离，按照水体光学衰减系数公式计算得到水体光学衰减系数。
8.如权利要求7所述的水体多波长光学衰减系数测量方法，其中，所述水体样本测试区与对比测试区中的水体为同一水体。9.如权利要求7所述的水体多波长光学衰减系数测量方法，其中，所述探测器的探测面积大于接收激光束的光斑面积。
技术总结本申请公开了一种水体多波长光学衰减系数测量装置，该装置包括水体样品测试腔室、波长选择装置、分束器、探测器和多个开关选择装置；水体样品测试腔室包括水体样本测试区与对比测试区；波长选择装置用于被控制以选择性透过一定波长的激光束；分束器用于将激光束分为功率相同的第一激光束与第二激光束；多个开关选择装置包括第一开关装置与第二开关装置；通过第一开关装置的第一激光束进入水体样本测试区进行传输并被所述探测器接收，通过第二开关装置的第二激光束进入对比测试区进行传输并被所述探测器接收。本发明使同样功率的两路光信号分别经历相同的器件，排除了器件之间的差异与不完美性，保证了水体光学衰减系数测量的准确性。的准确性。的准确性。
技术研发人员：肖云 文柯 周金荣 陈思井 宫鹏飞 彭汉 吴夏颖 费礼 袁进刚 万梓傲 胡皓 许利刚 李媛
受保护的技术使用者：武汉船舶通信研究所（中国船舶重工集团公司第七二二研究所）
技术研发日：2022.08.09
技术公布日：2022/12/2
