一種快速測量海水溫度的方法
2023-05-13 20:55:41 1
專利名稱：一種快速測量海水溫度的方法
技術領域：
本發明屬於海洋監測領域，涉及一種基於雷射相干布裡淵散射快速測量海水溫度的方法。
背景技術：
近年來利用雷射在海水中的布裡淵散射來監測海洋的布裡淵雷達技術因其可機載對次表層海水溫度、鹽度和水中聲速分布等進行大面積、快速測量，具有重要的經濟、社會和軍事應用價值而受到世界海洋監測領域的普遍重視。與海水的拉曼散射相比較，布裡淵散射頻移量較小，入射光和散射光可以同處海水透射窗口，雷達系統探測能力高，且不易受背景輻射影響，抗幹擾性強，測量精度高。由於布裡淵散射與海水水分子的熱布朗運動有關，通過檢測布裡淵散射頻移量，推演得到海水溫度。掃描F-P幹涉儀雖然可以精確測量布裡淵散射光譜，但由於目前能夠實際使用的大功率脈衝雷射器的重複頻率很低，導致幹涉儀的掃描周期長達100s，因此無法實現實時探測。且幹涉儀的接收立體角非常小，對入射光的平行度提出很高要求；幹涉儀抗震能力差，無法用於現場實驗中。1999年《中國雷射》第26卷第4期發表的《水中布裡淵散射的邊緣探測方法》中提出利用碘分子吸收池陡峭的吸收線吸收瑞利散射回波，透射布裡淵峰，使得布裡淵光譜的微小位置變化轉化為吸收池後光強的很大變化。邊緣探測技術用於頻率測量具有很高的測量精度和靈敏度，可解決F-P幹涉儀接收立體角小和掃描時間長，抗震動能力差的問題，但為了控制分子吸收線型，需要使用複雜的溫度和壓力控制系統，且對雷射器的頻率穩定性提出了非常苛刻的要求。北京師範大學的劉大禾在發表的《用F-P標準具和ICCD探測水中的布裡淵散射信號》文章中提出一種利用固體F-P標準具和ICCD來探測水的布裡淵散射光譜的方法(2008年《東北師大學報》(自然科學版)，第40卷第3期)。但是目前ICCD的像素尺寸較大，幀頻較低，對布裡淵散射譜的測量誤差和測量速度還有一定限制，且價格非常昂貴。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服上述現有技術的不足，提供一種操作簡單，測試速度快，穩定性高，系統成本低的快速測量海水溫度的方法。本發明解決上述技術問題採用的技術方案是:一種快速測量海水溫度的方法，其特徵是:其包括以下步驟:首先將種子注入式單頻脈衝雷射器發射的S偏振態脈衝雷射經偏振分束片分束，反射的雷射束作為測試雷射束，透射的雷射束作為參考雷射束；而後將測試雷射束經過四分之一波片後變為圓偏振光，經過聚焦透鏡組聚焦在被測海水中，使被測海水產生受激布裡淵散射；被測海水的受激布裡淵散射光信號再次通過四分之一波片後，偏振方向變為P方向，經過偏振分束片透射後入射到寬帶探測器的光敏面上；同時參考雷射束通過四分之一波片後變為圓偏振光，經耦合透鏡、光纖延時器後由聚焦透鏡聚焦到已知溫度的參考海水中，使參考海水產生受激布裡淵散射；參考海水的受激布裡淵散射光信號再次通過聚焦透鏡、光纖延時器、耦合透鏡和四分之一波片後，偏振方向變為P方向，經過偏振分束片反射到寬帶探測器的光敏面上；調節光纖延時器延時時間，使參考雷射與測試雷射的受激布裡淵散射光信號疊加幹涉產生差頻光信號；通過寬帶探測器將差頻光信號轉變為電信號，並輸入寬帶示波器測量出差頻頻率；最後，根據差頻頻率與被測海水和參考海水間溫度差的關係，通過計算機進行數據處理得到被測海水和已知溫度的參考海水的溫度差值，進而得到被測海水的溫度。本發明基於雷射相干布裡淵散射測量海水溫度，雷射器發射的單頻脈衝綠光經過分束片分為一束參考雷射束和一束測試雷射束，參考雷射束入射到近處已知溫度的參考海水中；測試雷射束入射到遠處的被測海水中。調節雷射輸出能量大於海水的受激布裡淵散射閾值，參考海水與被測海水的受激布裡淵散射光信號沿入射方向反向傳輸，經過分束片合束後在寬帶探測器光敏面相干產生差頻光信號，差頻頻率與參考海水和被測海水的溫度差有關。寬帶探測器將差頻光信號轉化為電信號並輸入寬帶示波器，測量出差頻頻率，經過數據處理計算出被測海水與參考海水的溫度差，進而計算出被測海水的溫度。對照現有技術，本發明雷射相干布裡淵散射測量海水的布裡淵散射頻移，反演海水溫度，替代了目前一般採用的掃描F-P幹涉儀，或基於溴、碘分子吸收池的邊緣檢測技術，以及利用ICCD的成像技術，既無需受掃描F-P幹涉儀的掃描周期長、接收立體角小、抗震能力差等限制，又無需因溴、碘分子吸收池光譜吸收穩定性差而對溴、碘蒸汽進行複雜的恆溫恆壓控制，也無需對雷射器的頻率穩定性提出過於苛刻的要求，更無需受ICCD的大像素尺寸、低幀頻而引起的測量誤差與速度限制。本發明操作簡單、便利，測試速度快，穩定性高，系統成本低，是一種理想的快速測量海水溫度的方法。
圖1是本發明組成器件和測量步驟示意圖。圖中的標號為:1.種子注入式單頻脈衝雷射器，2.偏振分束片，3.四分之一波片，4.聚焦透鏡組，5.被測海水，6.四分之一波片，7.耦合透鏡，8.光纖延時器，9.聚焦透鏡，10.參考海水，11.寬帶探測器，12.寬帶示波器，13.計算機。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的描述。如圖1所示，一種基於雷射布裡淵散射快速測量海水溫度的方法，首先將種子注入式單頻脈衝雷射器(I)發射的S偏振態脈衝雷射經偏振分束片(2)分束。所涉種子注入式單頻脈衝雷射器(I)為種子注入倍頻Nd = YAG雷射器，輸出單頻532nm雷射，最大輸出能量1J，線寬90MHz，脈衝寬度10 ns，重複頻率10Hz。反射的雷射束作為測試雷射束，透射的雷射束作為參考雷射束。偏振分束片(2)與輸出雷射光軸夾角為45度，表面鍍有偏振介質膜，對於S方向偏振光反射率為90%,透射率為10%。而後將測試雷射束經過四分之一波片
(3)後變為圓偏振光，經過聚焦透鏡組(4)聚焦在被測海水(5)中，使被測海水產生受激布裡淵散射。四分之一波片(3)和聚焦透鏡組(4)與雷射光軸垂直放置，聚焦透鏡組(4)由一短焦距負透鏡和一長焦距正透鏡構成。調節兩透鏡間間距，可以改變聚焦透鏡組(4)的焦距，使測試雷射束聚焦在不同水深位置，實現不同水深處水溫測量。被測海水的受激布裡淵散射光信號再次通過四分之一波片(3)後，偏振方向變為P方向，經過偏振分束片(2)透射後入射到寬帶探測器(11)的光敏面上。參考雷射束通過四分之一波片(6)後變為圓偏振光，經耦合透鏡(7)、光纖延時器(8)後由聚焦透鏡(9)聚焦到已知溫度的參考海水(10)中，使參考海水產生受激布裡淵散射。四分之一波片(6)、耦合透鏡(7)和聚焦透鏡(9)與雷射光軸垂直放置，參考水池(10)的入射面法線與光軸有2°左右的夾角，使反射光與參考海水的受激布裡淵散射光不重合。受激布裡淵散射光信號再次通過聚焦透鏡(9)、光纖延時器(8)、耦合透鏡(7)和四分之一波片(6)後，偏振方向變為P方向，經過偏振分束片(2)反射到寬帶探測器(11)的光敏面上；調節調節延時器(8)的延時時間，使測試光束和參考光束的布裡淵散射光信號在寬帶探測器(11)光敏面上疊加幹涉產生差頻光信號，經寬帶探測器(11)接收轉換為差頻電信號，輸入寬帶示波器測量出其頻率。最後，根據差頻頻率與被測海水和參考海水間溫度差的關係，通過計算機進行數據處理得到被測海水和已知溫度的參考海水的溫度差值，進而得到被測海水的溫度。記錄延時器(8)的延時時間，計算水中所測位置的深度。本發明所涉及的器件均為通用器件，包括種子注入式單頻脈衝雷射器(I)，偏振分束片(2)，四分之一波片(3)、(6)，聚焦透鏡組(4)，耦合透鏡(7)，光纖延時器(8)，聚焦透鏡(9)，寬帶探測器(11)，寬帶示波器(12)，計算機(13)，在此不再詳細介紹。本發明所涉及的寬帶探測器(11)和寬帶示波器(12)的輸入帶寬高於1GHz，以保證測量的差頻信號的準確性。計算機(13)作為數據處理和顯示裝置，通過數據處理，準確得到被測海水溫度，測量精度高。
權利要求
1.一種快速測量海水溫度的方法，其特徵是:其包括以下步驟:首先將種子注入式單頻脈衝雷射器發射的S偏振態脈衝雷射經偏振分束片分束，反射的雷射束作為測試雷射束，透射的雷射束作為參考雷射束；而後將測試雷射束經過四分之一波片後變為圓偏振光，經過聚焦透鏡組聚焦在被測海水中，使被測海水產生受激布裡淵散射；被測海水的受激布裡淵散射光信號再次通過四分之一波片後，偏振方向變為P方向，經過偏振分束片透射後入射到寬帶探測器的光敏面上；同時參考雷射束通過四分之一波片後變為圓偏振光，經耦合透鏡、光纖延時器後由聚焦透鏡聚焦到已知溫度的參考海水中，使參考海水產生受激布裡淵散射；參考海水的受激布裡淵散射光信號再次通過聚焦透鏡、光纖延時器、耦合透鏡和四分之一波片後，偏振方向變為P方向，經過偏振分束片反射到寬帶探測器的光敏面上；調節光纖延時器延時時間，使參考雷射與測試雷射的布裡淵散射光信號疊加幹涉產生差頻光信號；通過寬帶探測器將差頻光信號轉變為電信號，並輸入寬帶示波器測量出差頻頻率；最後，根據差頻頻率與被測海水和參考海水間溫度差的關係，通過計算機進行數據處理得到被測海水和已知溫度的參考海水的溫度差值，進而得到被測海水的溫度。
全文摘要
本發明涉及一種快速測量海水溫度的方法，將種子注入式單頻脈衝雷射器發射的脈衝綠光經過分束片分為參考雷射束和測試雷射束，參考雷射束入射到近處已知溫度的參考海水中；測試雷射束入射到遠處的被測海水中；調節雷射輸出能量大於海水的受激布裡淵散射閾值，參考海水與被測海水的受激布裡淵散射光信號沿入射方向反向傳輸，經過分束片合束後在寬帶探測器光敏面相干產生差頻光信號，差頻頻率與參考海水和被測海水的溫度差有關。寬帶探測器將差頻光信號轉化為電信號並輸入寬帶示波器，測量出差頻頻率，經過數據處理計算出被測海水與參考海水的溫度差，進而計算出被測海水的溫度。本發明操作簡單、便利，測試速度快，穩定性高，系統成本低。
文檔編號G01K11/32GK103175629SQ201310076798
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月11日 優先權日2013年3月11日
發明者田兆碩, 任秀雲, 呂志偉, 崔子浩, 徐天賜, 付石友 申請人:哈爾濱工業大學(威海)