CN100554943C - 用脉冲激光实时测量海水浑浊度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明利用窄带高能脉冲激光在海水中发生的受激布里渊散射，实现对海水浑浊度的实时探测。通过同步测量入射激光的强度和背向受激布里渊散射信号的强度，得到海水的衰减系数。再由衰减系数得到海水的浑浊度。

Description

用脉冲激光实时测量海水浑浊度的方法

技术领域

本发明属于光电技术和海洋环境监测技术领域。

背景技术

海水是一种相对透明的介质，不同环境的水所含可溶有机物、悬移质、浮游生物等复杂成分不同。这些物质对光较强的吸收和散射造成了光能量衰减和传播距离的缩短，体现为总的衰减系数：α＝a+b(α为总衰减系数，a为吸收系数，b为散射系数)，衰减系数的大小直接反映了水的浑浊度。

本发明克服了目前的浊度计需要有水下光学探测仪器的接触式探测的限制，采用无接触式探测，提出了一种可以在大范围实际水环境中进行实时测量，并可在严重污染及恶劣环境中进行探测。

发明内容

一种可以在大范围实际水环境中进行实时、无接触测量水的浑浊度的新技术。

一、本发明的工作原理：

种子注入高能脉冲YAG激光器发出的532nm窄线宽高能激光束入射到水中发生布里渊散射，信号接收器同步监测入射激光强度I_l与布里渊散射信号强度I_s的关系，由预先建立的入射光强、布里渊散射光强及水的衰减系数(I_l，I_s，α)的数据参考系统确定水的衰减系数，再由水的衰减系数与浊度之间的关系确定水的浑浊度。

下面结合附图1，详细叙述本发明的工作原理。

①激光器产生的垂直偏振的532nm激光束经1/2波片后变为水平偏振，使激光束能量的绝大部分可以通过偏振耦合镜BS，一小部分被反射。被BS反射的激光强度I₁由探测器1接收，利用已知BS的透射/反射能量比可以实时监测激光束的透射强度I_l。I_l向前传播通过1/4波片变为圆偏振光，然后被M₀反射，此反射光将先后用于进行1和2两个实验。

②实验1的进行。

关闭种子激光器，此时，脉冲YAG激光器输出宽带激光束(线宽为30GHz)。经过M₀后的激光束再经M₁反射进入实验水池。探测器3接收激光束经过水池后得到的透过光强I₃。改变入射激光强度I_l则I₃也随之变化。为消除各个玻璃表面反射及玻璃材料吸收的影响，我们采用了下面的实验方案。首先让激光垂直通过无水的样品池，并记录下探测器1和3探测到的光强I₁和I₃。设偏振耦合镜BS的透射/反射能量比为k₁，样品池前后两块玻璃的衰减率为k₂，在垂直入射的情况下玻璃和空气界面之间的透射率为T₁，则经过无水样品池后的光强为：

$I_2=I_1{k}_1{k}_2^2{T}_1^4....\left(1\right)$

然后，在光路不变的情况下，将样品池加满水，并再次记录探测器1和3所测得的光强，设此时记录的数值为I′₁和I′₃。光从空气进入玻璃的透射率仍为T₁，从玻璃进入水的透射率设为T₂，设激光在样品池内水中的平均衰减系数为α，水池的长度l。则通过样品池后的光强为：

$I_2^{\′}=I_1^{\′}{k}_1{k}_2^2{T}_1^2{T}_2^2{e}^{-\mathrm{\αl}}....\left(2\right)$

由菲涅耳公式可知，正入射情况下 $T=\frac{4n_1{n}_2}{{(n_1+n_2)}^2}.$ 取玻璃折射率n₁＝1.4985，水折射率n₂＝1.3328，并设激光经过无水的样品池时衰减为千分之一，求解(1)和(2)式可以得到平均衰减系数为：

$\mathrm{\α}=-\frac{1}{l}\ln (\frac{I_3^{\′}/I_1^{\′}}{I_3/I_1}\×0.927388)...\left(3\right)$

③实验2的进行。

打开种子激光器，此时，脉冲YAG激光器输出窄带激光束(线宽为90MHz)。去掉M₁，经M₀反射的激光束被M₂反射，并经L₁、L₂透镜组会聚到实验水池中固定深度z₀处。则，该处发生受激布里渊散射。由于受激布里渊散射只在背向发生，散射光沿原路返回，经过1/4波片后变成垂直偏振光，使布里渊散射光的绝大部分光强I_s被BS反射，并由探测器2接收。改变入射激光的强度I_l，受激布里渊散射信号I_s也随之发生变化，通过探测器1、2的同步监测可获得入射激光强度与布里渊散射信号的关系。

④考虑到整个实验过程水质可能发生缓慢变化，为了减小测量误差，需要马上重复步骤②，再次测量水的衰减系数。对前后两次测量得到的衰减系数作平均，最终求得水的衰减系数α。此α值与步骤③所得I_l与I_s的关系一起建立一组数据(I_l，I_s，α)。

⑤选取不同衰减系数α的水，并重复进行步骤①～④的实验测量，从而得到很多组(I_l，I_s，α)数据。利用这些数据建立一套数据参考系统。这套数据参考系统提供了所测光强与水的衰减系数之间的关系。(此关系可以用数据表格或数据曲线的形式给出)。

⑥根据已有的海水浑浊度的数据，建立衰减系数与浑浊度的关系。(此关系可以用数据表格或数据曲线的形式给出)。

⑦改变步骤③中光束的聚焦位置，重复步骤①～⑥的实验测量，可以得到不同深度的数据参考系统。

二、本发明的实现方法

下面结合附图2说明本发明的实现方法。

由原理可知，只要同步测得了激光器的输出强度和背向受激布里渊散射信号强度，利用已得到的(I_l，I_s，α)数据参考系统和衰减系数与浑浊度的关系，就可以得到海水的浑浊度。

整个实施过程包括以下各步。

①将种子注入脉冲YAG激光器产生的窄带激光束射入海水中。

②该激光束为垂直偏振的532nm激光，经1/2波片后变为水平偏振，使激光束能量的绝大部分可以通过偏振耦合镜BS，一小部分被反射。被BS反射的激光强度I₁由探测器1接收，利用已知BS的透射/反射能量比可以实时监测激光束的透射强度I_l。I_l向前传播通过1/4波片变为圆偏振光，并经L₁、L₂透镜组会聚到海水中某一深度z₀处。则，该处发生受激布里渊散射。由于受激布里渊散射只在背向发生，散射光沿原路返回，经过1/4波片后变成垂直偏振光，使布里渊散射光的绝大部分光强I_s被BS反射，并由探测器2接收。

③由实际测量得到的I_l与I_s，与预先建立的同一深度的(I_l，I_s，α)浊度计数据参考系统相对照，得到该深度处海水的衰减系数。再利用衰减系数与浑浊度的参考关系，得到海水的浑浊度。

三、本发明的优点：

1)可在大范围海洋环境中进行实时监测；

2)采用非接触式测量，有利于严重污染或恶劣环境下的监测；

附图说明

附图1.本发明的工作原理图。

BS分别为532nm的1/2波片、1/4波片和偏振耦合镜，BS对水平偏振光高透，垂直偏振光高反；M₀，M₁，M₂和M₃均为直角全反射棱镜；L₁、L₂分别为凹透镜和凸透镜。

附图2.本发明的实现方法图。

BS分别为532nm的1/2波片、1/4波片和偏振耦合镜，BS是对水平偏振光高透，垂直偏振光高反；M₃为直角全反射棱镜；L₁、L₂分别为凹透镜和凸透镜。

Claims (1)

1.用脉冲激光实时测量海水浑浊度的方法：将种子注入脉冲YAG激光器产生的线宽为90MHz的窄带激光束射入海水中，该激光束为垂直偏振的532nm激光，经1/2波片后变为水平偏振，使激光束能量的绝大部分可以通过偏振耦合镜(BS)，一小部分被反射，被偏振耦合镜(BS)反射的激光强度I₁由第一探测器(1)接收，利用已知偏振耦合镜(BS)的透射/反射能量比实时监测激光束的透射强度I_l，该透射强度I_l向前传播通过1/4波片变为圆偏振光，并经第一透镜组(L₁)、第二透镜组(L₂)会聚到海水中某一深度z₀处，该深度z₀处发生受激布里渊散射，由于受激布里渊散射只在背向发生，该受激布里渊散射光沿原路返回，经过1/4波片后变成垂直偏振光，使所述布里渊散射光的绝大部分光强I_s被偏振耦合镜(BS)反射，该被反射的受激布里渊散射光由第二探测器(2)接收，同步测得所述的利用已知偏振耦合镜(BS)的透射/反射能量比实时监测的激光束的透射强度I_l和所述布里渊散射光的绝大部分光强I_s，利用预先建立的同一深度的透射强度、背向受激布里渊散射光强与水的衰减系数三者之间的关系，得到所述深度z₀处海水的衰减系数，利用衰减系数与浑浊度的参考关系，得到海水的浑浊度。

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