CN106568497A - 一种量传溯源扁平化的海水声速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量传溯源扁平化的海水声速测量方法，所述海水声速测量方法包括以下步骤：以飞秒激光重复频率间隔Δω作为基准，探测海水声场布里渊散射作用引起的多普勒频移；三组接收体在测量过程中将分别接收一组速度矢量分量序列，三组速度矢量分量序列中的每一个对应元素在全局时钟控制下同步完成信号采集；三组接收体定位于被测量海水声场同一点；根据各组接收体接收到的多普勒频移信号，反演出该方向对应的速度分量，然后将三个速度分量矢量序列进行矢量合成计算，实现海水声速测量。本发明以飞秒激光布里渊散射效应为基本原理对海水声速剖面进行检测，目的在于实现高精度、量传溯源扁平化的声速测量。

Description

一种量传溯源扁平化的海水声速测量方法

技术领域

本发明涉及激光布里渊散射海水声速测量领域，尤其涉及一种量传溯源扁平化的海水声速测量方法。

背景技术

具体来讲，对于海水声速测量，一般主要包括两类方法，一类是通过测量超声波在固定距离内飞行时间或者测量超声波波长和频率的直接测量法；一类是通过温、盐、深参数测量的间接测量方法。间接测量方法主要是依据已有的三个模型公式进行计算，但往往存在较大的误差。相比较而言，直接测量方法因原理上涉及参量较少(只包括时间和距离)，在保证测量结果溯源性上更有优势。但从量值溯源角度考虑，在时间参量的测量上，虽然精度可达到较高水平，但超声发射与接收会产生一定时间延误，而且计时器件也仍是采用离线计量的方式保证时间参量测量精度，仍不是真正意义上的现场溯源测量；在距离参量的测量上，因超声探头嵌入距离参量中，保证超声波行进距离与标定距离严格一致较为困难，难以保证量值溯源性。

发明内容

本发明提供了一种量传溯源扁平化的海水声速测量方法，本发明以飞秒激光布里渊散射效应为基本原理对海水声速剖面进行检测，目的在于实现高精度、量传溯源扁平化的声速测量，详见下文描述：

一种量传溯源扁平化的海水声速测量方法，所述海水声速测量方法包括以下步骤：

以飞秒激光重复频率间隔Δω作为基准，探测海水声场布里渊散射作用引起的多普勒频移；

位于集成箱内的多组接收体在测量过程中将分别接收一组速度矢量分量序列，多组速度矢量分量序列中的每一个对应元素在全局时钟控制下同步完成信号采集；多组接收体定位于被测量海水声场同一点；

根据各组接收体接收到的多普勒频移信号，反演出该方向对应的速度分量，然后将三个速度分量矢量序列进行矢量合成计算，实现海水声速测量。

所述位于集成箱内的三组接收体具体为：三组指示光路及雪崩光电二极管：

依次通过光信号连接的指示激光器、分光棱镜和反射镜、二向色镜、雪崩光电二极管、大口径透镜；

沿三组指示光路方向指示激光方向的散射飞秒激光经过大口径透镜后变为三束平行光，被二向色镜反射后进入对应的三个雪崩光电二极管；然后根据雪崩光电二极管得到多普勒频移。

所述海水声速测量方法还包括：

测量船搭载GPS接收机与飞秒激光设备，将飞秒激光设备经第一光纤连接到水中的集成箱，GPS接收机接收卫星的信号，由GPS时间基准授时，将飞秒激光重频锁定到微波频标。

所述集成箱还包括：超声换能器，所述超声换能器持续提供被测量声场。

所述方法即为测量仪器直接溯源计量基准，无需将测量结果层层传递，增加累积误差：

飞秒激光重频率通过GPS授时锁定到星载频率基准上，通过飞秒激光重频率多普勒效应建立频率基准与海水声速的直接关联，实现海水声速的量传溯源扁平化测量。

在光路设计上：采用单光束-多接收模式进行频率移动量的采集，对光束发射端的位置条件没有要求，只需对光束接收端的接收角度进行标定，这保证集成箱内接收部分的模块化设计。

所述根据各组接收体接收到的多普勒频移信号，反演出该方向对应的速度分量具体为：

其中，f_D为多普勒频移；e₀为入射光单位向量；U是声速分量矢量；e_s为散射光的单位向量；λ为飞秒激光波长。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本方法将突破海水声速现场溯源性测量困难，保守估计可将海水声速测量精度提升一个数量级，实现量传溯源扁平化的海水声速测量；本方法可看作是海洋计量工作的突破，将在海洋计量界产生重要学术影响；

2、本方法将在海洋标准场建设工作上发挥积极作用，以其直接现场溯源优势替换掉传统海水声速测量方法，将测量精度大幅提升，为海洋标准场建设贡献力量；

3、本方法同时也将在水文地质、反潜、电缆铺设和地质调查、采矿、地球物理探测、声学系统、声层析、水体微结构分析、水文水道测量、海洋调查勘察以及国防应用上发挥重要直接或间接作用，为相关领域作业任务提供高精度数据保障。

附图说明

图1为飞秒激光海水声速量传溯源扁平化测量示意图；

图2为一种量传溯源扁平化的海水声速测量方法的流程图；

图3为前端传感器的结构示意图；

图4为激光多普勒效应测速的示意图；

图5为声速分量配准融合的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：卫星； 2：GPS接收机；

3：飞秒激光设备； 4：第一光纤；

5：集成箱； 6：分光棱镜和反射镜；

7：指示激光器； 8：二向色镜；

9：雪崩二极管； 10：大口径透镜；

11：第二光纤； 12：超声换能器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明实施例介绍了一种利用飞秒激光高重频稳定度、能溯源到频率基准等良好性质，以布里渊散射原理为基本原理对海水剖面声速进行检测的新方法，目的在于实现高精度、量传溯源扁平化的海水声速剖面测量，参见图1、图2和图3，该方法包括以下步骤：

101：以飞秒激光重复频率间隔Δω作为基准，探测海水声场布里渊散射作用引起的多普勒频移；

其中，在海水介质里由密度起伏引起的激光多普勒效应表现为布里渊散射现象。海水声场是海水密度起伏引起的传播形态，相当于移动的位相光栅，飞秒激光在穿过海水声场时会产生多普勒频移。根据测量的频移可以得出海水的温度，进而根据海水温度与水中声速的关系求得海水中的声速。

飞秒激光重频的多普勒效应原理，飞秒激光中包含的频率成分大约为10⁶量级，频谱之间的频率间隔Δω可以锁定到卫星微波频标，使其具有10^-15量级的频率稳定度，本发明实施例即以此频率间隔Δω作为基准探测海水声场作用产生的多普勒频移。

102：三组接收体在测量过程中将分别接收一组速度矢量分量序列，三组速度矢量分量序列中的每一个元素在全局时钟控制下同步完成信号采集；三组接收体通过指示激光器发射的经过分光棱镜与反射镜后的三组指示平行光束经大口径透镜10定位于被测量海水声场同一点；

其中，三组接收体具体为：由指示激光器发射经分光棱镜与反射镜后的三组指示光路及雪崩二极管光电探测器，其结构包括：依次通过光信号连接的指示激光器7、分光棱镜和反射镜6、二向色镜8、雪崩光电二极管9、大口径透镜10。

103：根据各组接收体接收到的多普勒频移信号，反演出该方向对应的速度分量，然后将三个速度矢量分量序列进行矢量合成计算，实现海水声速测量。

其中，位于集成箱内的前端传感器5的结构如图3所示，虽然飞秒激光单脉冲峰值功率非常高，直接作用在海水中会激发出声子振动，但在本发明实施例中，为了有效保证持续超声的存在，在位于集成箱内的前端传感器中嵌入超声换能器持续提供被测量声场。

在光学基本布置模式的考虑上，采用单光束-多接收模式进行频率移动量的采集，这种模式对光束发射端的位置条件没有要求，只需要对光束接收端的接收角度进行标定即可，这种模式可保证位于集成箱内的接收部分的模块化设计，对第二光纤端11和超声换能器12的位置精度没有要求，免去了标定超声波传播方向工作，也减少了误差来源。

用指示激光器7配合分光棱镜和反射镜6的组合可产生高质量平行光束，平行光束过大口径透镜10可聚焦在焦平面上，只要超声波过此聚焦点，即可完成频移信息的采集。

其中，指示激光器7配合二向色镜8，可保证搜集指定方向散射飞秒激光，并可有效使用雪崩光电二极管9接收到散射光信号。

其中，根据各组接收体接收到的多普勒频移信号，反演出该方向对应的声速分量具体为：

其中，f_D为多普勒频移；e₀为入射光单位向量；U是声速分量矢量；e_s为散射光的单位向量；λ为飞秒激光波长。

综上所述，本发明实施例以飞秒激光布里渊散射效应为基本原理对海水声速剖面进行检测，实现了高精度、量传溯源扁平化的声速测量；本方法将在海洋标准场建设工作上发挥积极作用，以其直接现场溯源优势替换掉传统海水声速测量方法，将测量精度大幅提升，为海洋标准场建设贡献力量。

实施例2

下面结合图1、图2、图3、图4和图5对本发明实施例提供的海水声速剖面测量具体实施方法进行详细说明。

本发明实施例是基于布里渊散射效应的，所用到的测量设备如图1所示，光路设计如图2所示。测量步骤如下：

步骤201：如图1所示，测量船搭载GPS接收机2与飞秒激光设备3，将飞秒激光设备3经第一光纤4连接到水中的前段传感器5，GPS接收机2接收卫星1的信号，由GPS时间基准授时，将飞秒激光重频锁定到微波频标；

步骤202：如图3所示，前段传感器5中指示激光器7发出的激光经过分光棱镜和反射镜的组合6后，被分成三束平行光，穿过二向色镜8后经大口径透镜10汇聚于测量点，超声换能器12发出的声波与位于集成箱上的第二光纤探头11出射的飞秒激光也穿过此测量点；

步骤303：沿三束指示激光方向的散射飞秒激光经过大口径透镜10后变为三束平行光，被二向色镜8反射后进入对应的三个雪崩二极管9；然后根据雪崩二极管9得到多普勒频移f_D；

步骤204：根据多普勒频移f_D获取散射方向的速度分量；

如图4所示，e₀为入射光的单位向量，U是声速分量矢量，S为雪崩二极管，e_s为散射光的单位向量。多普勒频移f_D与它们之间的关系式为

将e0、e_s、λ、f_D代入即可得出该散射方向的速度分量U₁。

步骤205：同理得到其余两个散射方向的速度分量U₂、U₃，然后如附图5所示，将三个散射方向的速度分量U₁、U₂、U₃进行矢量合成，得出海水声速矢量U。

综上所述，本发明实施例以飞秒激光布里渊散射效应为基本原理对海水声速剖面进行检测，实现了高精度、量传溯源扁平化的声速测量；本方法将在海洋标准场建设工作上发挥积极作用，以其直接现场溯源优势替换掉传统海水声速测量方法，将测量精度大幅提升，为海洋标准场建设贡献力量。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种量传溯源扁平化的海水声速测量方法，其特征在于，所述海水声速测量方法包括以下步骤：

以飞秒激光重复频率间隔Δω作为基准，探测海水声场布里渊散射作用引起的多普勒频移；

位于集成箱内的三组接收体在测量过程中将分别接收一组速度矢量分量序列，多组速度矢量分量序列中的每一个元素在全局时钟控制下同步完成信号采集；多组接收体跟随集成箱定位于被测量海水声场同一点；

根据各组接收体接收到的多普勒频移信号，反演出该方向对应的速度分量，然后将三个速度分量矢量序列进行矢量合成计算，实现海水声速测量。

2.根据权利要求1所述的一种量传溯源扁平化的海水声速测量方法，其特征在于，所述位于集成箱内三组接收体具体为：三组指示光路及雪崩光电二极管：

依次通过光信号连接的指示激光器、分光棱镜和反射镜、二向色镜、雪崩光电二极管、大口径透镜；

沿三束指示光路方向的散射飞秒激光经过大口径透镜后变为三束平行光，被二向色镜反射后进入对应的三个雪崩光电二极管；然后根据雪崩光电二极管得到多普勒频移。

3.根据权利要求1所述的一种量传溯源扁平化的海水声速测量方法，其特征在于，所述海水声速测量方法还包括：

测量船搭载GPS接收机与飞秒激光设备，将飞秒激光设备经第一光纤连接到水中位于集成箱内的前端传感器，GPS接收机接收卫星的信号，由GPS时间基准授时，将飞秒激光重频锁定到微波频标。

4.根据权利要求3所述的一种量传溯源扁平化的海水声速测量方法，其特征在于，所述位于集成箱内的前端传感器还包括：超声换能器，所述超声换能器持续提供被测量声场。

5.根据权利要求1所述的一种量传溯源扁平化的海水声速测量方法，其特征在于，所述方法即为测量仪器直接溯源计量基准，无需将测量结果层层传递，增加累积误差：

飞秒激光重频率通过GPS授时锁定到星载频率基准上，通过飞秒激光重频率多普勒效应建立频率基准与海水声速的直接关联，实现海水声速的量传溯源扁平化测量。

6.根据权利要求1所述的一种量传溯源扁平化的海水声速测量方法，其特征在于，在光路设计上：

采用单光束-多接收模式进行频率移动量的采集，对光束发射端的位置条件没有要求，只需对光束接收端的接收角度进行标定，从而保证了位于集成箱内接收部分的模块化设计。

7.根据权利要求1所述的一种量传溯源扁平化的海水声速测量方法，其特征在于，所述根据各组接收体接收到的多普勒频移信号，反演出该方向对应的速度分量具体为：

$f_D=\frac{1}{\mathrm{\λ}}|U\·(e_s-e_0)|$

其中，f_D为多普勒频移；e₀为入射光单位向量；U是声速分量矢量；e_s为散射光的单位向量；λ为飞秒激光波长。