CN107193013B - 一种海洋环境参数的测量方法及系统 - Google Patents

一种海洋环境参数的测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海洋环境参数的测量方法，涉及激光雷达领域，包括步骤：激光发射装置得到散射回波信号的布里渊散射谱线，并测量当前对应的海洋环境参数值；构建布里渊散射谱的数学模型；根据已测量的海洋环境参数值，得到布里渊散射谱线的表达式；激光发射装置在待测海洋环境中发射激光，并采集激光的散射回波信号，得到待测海洋环境中散射回波信号的布里渊散射谱线，根据布里渊散射谱线的表达式，计算得到待测海洋环境参数。提供一种海洋环境参数的测量方法，不仅可以实时地测量出海洋环境参数，实时性好，而且方法简单，操作方便，测量效率高，节省了人力物力。

Description

一种海洋环境参数的测量方法及系统
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，具体涉及一种海洋环境参数的测量方法及系统。
背景技术
在人类赖以生存的地球上，海洋的面积十分广阔，海洋占整个地球表面积的71％，它不但是地球上主要的水资源的来源，更重要的是它是地球的主要热源之一，它的热运动能够改变地球的环境温度分布，造成自然条件的季节性或突发性改变，进而影响到自然环境以及人类的生产和生活，因此，海洋环境参数的测量显得尤为重要。
海洋环境参数种类很多，海洋温度分布可以反映海洋的热能流动和热交换特性；海水的温度分布，尤其是垂直温度分布，可以反映海洋洋流运动状况；海水的盐度分布可以反映海洋与大气热交换状况。可见，海洋环境参数可以对于海洋环境监控、海洋生物研究以及自然灾害的预测等都起到非常重要的作用。
现有技术中，通常采用直接测量法，来测量海洋环境参数。但是，由于海洋环境参数众多，需要分别每个参数分别进行测量，不仅耗费较多的人力物力，而且测量操作复杂，测量效率低下，导致实时性差，无法满足海洋环境监控实时性的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种海洋环境参数的测量方法，不仅可以实时地测量出海洋环境参数，实时性好，而且方法简单，操作方便，测量效率高，节省了人力物力。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种海洋环境参数的测量方法，包括如下步骤：
S1：激光发射装置在已知海洋环境中发射激光，并采集所述激光的散射回波信号，得到已知海洋环境中散射回波信号的布里渊散射谱线，并测量当前对应的海洋环境参数值；
S2：构建布里渊散射谱的数学模型，所述数学模型参数包括：海洋环境参数、G因子参数、布里渊散射谱线的频率；
S3：根据已测量的海洋环境参数值，将所述布里渊散射谱线和数学模型进行拟合，得到G因子参数和布里渊散射谱线的频率，将得到的G因子参数和布里渊散射谱线的频率代入所述数学模型，得到布里渊散射谱线的表达式；
S4：激光发射装置在待测海洋环境中发射激光，并采集所述激光的散射回波信号，得到待测海洋环境中所述散射回波信号的布里渊散射谱线，根据所述布里渊散射谱线的表达式，计算得到待测海洋环境参数。
在上述技术方案的基础上，所述数学模型的表达式为：
式中，表示反斯托克斯峰谱线，为反斯托克斯峰的中心频率，为正斯托克斯峰谱线，为正斯托克斯峰的中心频率，S(ω0)为布里渊散射谱线，ω0为布里渊散射谱线的中心频率；
所述反斯托克斯峰谱线、正斯托克斯峰谱线和布里渊散射谱线的表达式相同，对应的中心频率不同。
在上述技术方案的基础上，当所述海洋环境参数为海洋温度时，所述布里渊散射谱线的表达式具体为：
式中，为普朗克常数，ω为中心频率，为声子的平均数量，k为波矢，T为温度，n为声子数量，c为光速，A为菲涅尔常数，Γ为声子强度衰变率，G(Γ/2)为G因子参数。
在上述技术方案的基础上，在步骤S1得到所述散射回波信号的布里渊散射谱线后，对所述布里渊散射谱线进行滤波处理，步骤S3中将滤波后的布里渊散射谱线和数学模型进行拟合。
在上述技术方案的基础上，所述激光发射装置为激光雷达系统。
本发明还提供了一种海洋环境参数的测量系统，包括：
激光发射装置，其用于在海洋环境中发射激光，并采集所述激光的散射回波信号，得到所述散射回波信号的布里渊散射谱线；
检测装置，其用于测量海洋环境参数值；
模型构建模块，其用于构建布里渊散射谱的数学模型，所述数学模型参数包括：海洋环境参数、G因子参数、布里渊散射谱线的频率；
解析模块，其用于根据已测量的海洋环境参数值，将所述布里渊散射谱线和数学模型进行拟合，得到G因子参数和布里渊散射谱线的频率，将得到的G因子参数和布里渊散射谱线的频率代入所述数学模型，得到布里渊散射谱线的表达式；
运算模块，其用于根据所述布里渊散射谱线的表达式，计算得到待测海洋环境参数。
在上述技术方案的基础上，所述数学模型的表达式为：
式中，表示反斯托克斯峰谱线，为反斯托克斯峰的中心频率，为正斯托克斯峰谱线，为正斯托克斯峰的中心频率，S(ω0)为布里渊散射谱线，ω0为布里渊散射谱线的中心频率。
在上述技术方案的基础上，当所述海洋环境参数为海洋温度时，所述反斯托克斯峰谱线、正斯托克斯峰谱线和布里渊散射谱线的表达式相同，对应的中心频率不同，所述布里渊散射谱线的表达式具体为：
式中，为普朗克常数，ω为频率，为声子的平均数量，k为波矢，T为温度，n为声子数量，c为光速，A为菲涅尔常数，Γ为声子强度衰变率，G(Γ/2)为G因子参数。
在上述技术方案的基础上，还包括滤波处理模块，其用于对所述布里渊散射谱线进行滤波处理。
在上述技术方案的基础上，所述激光发射装置为激光雷达系统。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的海洋环境参数的测量方法，基于G因子参数建立布里渊散射谱的数学模型，根据已知海洋环境解析得到G因子参数，从而得到布里渊散射谱的表达式，在需要测量未知海洋环境参数时，只需采集布里渊散射谱，根据表达式即可计算出待测海洋环境参数，不仅可以实时地测量出海洋环境参数，实时性好，而且方法简单，操作方便，测量效率高，节省了人力物力。
(2)本发明的海洋环境参数的测量方法，在得到散射回波信号的布里渊散射谱线后，对其进行滤波处理，从而消除外界光源在海水中反射或散射光线的干扰、以及激光发射装置中器件的影响，使海洋环境参数的测量更加精准。
附图说明
图1为本发明实施例中海洋环境参数的测量方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供一种海洋环境参数的测量方法，包括如下步骤：
S1：激光发射装置在已知海洋环境中发射激光，并采集激光的散射回波信号，得到已知海洋环境中散射回波信号的布里渊散射谱线，并测量当前对应的海洋环境参数值，激光发射装置为激光雷达系统；
S2：对得到的布里渊散射谱线进行滤波处理，从而消除外界光源在海水中反射或散射光线的干扰、以及激光发射装置中器件的影响，使海洋环境参数的测量更加精准；
S3：构建布里渊散射谱的数学模型，数学模型参数包括：海洋环境参数、G因子参数、布里渊散射谱线的频率；
S4：根据已测量的海洋环境参数值，将滤波后的布里渊散射谱线和数学模型进行最小二乘拟合，得到G因子参数和布里渊散射谱线的频率，将得到的G因子参数和布里渊散射谱线的频率代入数学模型，得到布里渊散射谱线的表达式；
S5：激光发射装置在待测海洋环境中发射激光，并采集激光的散射回波信号，得到待测海洋环境中散射回波信号的布里渊散射谱线，根据布里渊散射谱线的表达式，计算得到待测海洋环境参数。
步骤S2中构建的布里渊散射谱的数学模型的表达式为：
式中，表示反斯托克斯峰谱线，为反斯托克斯峰的中心频率，为正斯托克斯峰谱线，为正斯托克斯峰的中心频率，S(ω0)为布里渊散射谱线，ω0为布里渊散射谱线的中心频率。
本发明实施例中，反斯托克斯峰谱线和正斯托克斯峰谱线共同组成了布里渊散射谱线，反斯托克斯峰谱线、正斯托克斯峰谱线和布里渊散射谱线的表达式相同，对应的中心频率不同。
以测量海洋温度为例，布里渊散射谱线的表达式具体为：
式中，为普朗克常数，ω为ω为中心频率，为声子的平均数量，k为波矢，T为温度，n为声子数量，c为光速，A为菲涅尔常数，Γ为声子强度衰变率，G(Γ/2)为G因子参数。
将布里渊散射谱线的中心频率ω0、反斯托克斯峰的中心频率正斯托克斯峰的中心频率分别代入到上述表达式中，可以对应得到布里渊散射谱线S(ω0)、反斯托克斯峰谱线正斯托克斯峰谱线再将数学模型和布里渊散射谱进行最小二乘拟合，即可得到布里渊散射谱的表达式。
本发明实施例还提供了一种海洋环境参数的测量系统，包括：激光发射装置、检测装置、滤波处理模块、模型构建模块、解析模块和运算模块。
激光发射装置用于在海洋环境中发射激光，并采集激光的散射回波信号，得到散射回波信号的布里渊散射谱线。本发明实施例中，激光发射装置为激光雷达系统。检测装置用于测量海洋环境参数值。滤波处理模块用于对布里渊散射谱线进行滤波处理。
模型构建模块用于构建布里渊散射谱的数学模型，数学模型参数包括：海洋环境参数、G因子参数、布里渊散射谱线的频率。
解析模块用于根据已测量的海洋环境参数值，将布里渊散射谱线和数学模型进行最小二乘拟合，得到G因子参数和布里渊散射谱线的频率，将得到的G因子参数和布里渊散射谱线的频率代入数学模型，得到布里渊散射谱线的表达式。
运算模块用于根据布里渊散射谱线的表达式，计算得到待测海洋环境参数。
海洋环境参数的测量系统构建的数学模型的表达式为：
式中，表示反斯托克斯峰谱线，为反斯托克斯峰的中心频率，为正斯托克斯峰谱线，为正斯托克斯峰的中心频率，S(ω0)为布里渊散射谱线，ω0为布里渊散射谱线的中心频率。所述反斯托克斯峰谱线、正斯托克斯峰谱线和布里渊散射谱线的表达式相同，对应的中心频率不同。
当海洋环境参数的测量系统需要测量海洋温度时，所述布里渊散射谱线的表达式具体为：
式中，为普朗克常数，ω为频率，为声子的平均数量，k为波矢，T为温度，n为声子数量，c为光速，A为菲涅尔常数，Γ为声子强度衰变率，G(Γ/2)为G因子参数。
本发明的海洋环境参数的测量方法和系统，基于G因子参数建立布里渊散射谱的数学模型，根据已知海洋环境解析得到G因子参数，从而得到布里渊散射谱的表达式，在需要测量未知海洋环境参数时，只需采集布里渊散射谱，根据表达式即可计算出待测海洋环境参数，不仅可以实时地测量出海洋环境参数，实时性好，而且方法简单，操作方便，测量效率高，节省了人力物力。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种海洋环境参数的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：激光发射装置在已知海洋环境中发射激光，并采集所述激光的散射回波信号，得到已知海洋环境中散射回波信号的布里渊散射谱线，并测量当前对应的海洋环境参数值；
S2：构建布里渊散射谱的数学模型，所述数学模型参数包括：海洋环境参数、G因子参数、布里渊散射谱线的频率；所述数学模型的表达式为：
式中，表示反斯托克斯峰谱线，为反斯托克斯峰的中心频率，为正斯托克斯峰谱线，为正斯托克斯峰的中心频率，S(ω0)为布里渊散射谱线，ω0为布里渊散射谱线的中心频率；
所述反斯托克斯峰谱线、正斯托克斯峰谱线和布里渊散射谱线的表达式相同，对应的中心频率不同；
S3：根据已测量的海洋环境参数值，将所述布里渊散射谱线和数学模型进行拟合，得到G因子参数和布里渊散射谱线的频率，将得到的G因子参数和布里渊散射谱线的频率代入所述数学模型，得到布里渊散射谱线的表达式；
S4：激光发射装置在待测海洋环境中发射激光，并采集所述激光的散射回波信号，得到待测海洋环境中所述散射回波信号的布里渊散射谱线，根据所述布里渊散射谱线的表达式，计算得到待测海洋环境参数。
2.如权利要求1所述的海洋环境参数的测量方法，其特征在于：当所述海洋环境参数为海洋温度时，所述布里渊散射谱线的表达式具体为：
式中，为普朗克常数，ω为中心频率，为声子的平均数量，k为波矢，T为温度，n为声子数量，c为光速，A为菲涅尔常数，Γ为声子强度衰变率，G(Γ/2)为G因子参数。
3.如权利要求1所述的海洋环境参数的测量方法，其特征在于：在步骤S1得到所述散射回波信号的布里渊散射谱线后，对所述布里渊散射谱线进行滤波处理，步骤S3中将滤波后的布里渊散射谱线和数学模型进行拟合。
4.如权利要求1所述的海洋环境参数的测量方法，其特征在于：所述激光发射装置为激光雷达系统。
5.一种海洋环境参数的测量系统，其特征在于，包括：
激光发射装置，其用于在海洋环境中发射激光，并采集所述激光的散射回波信号，得到所述散射回波信号的布里渊散射谱线；
检测装置，其用于测量海洋环境参数值；
模型构建模块，其用于构建布里渊散射谱的数学模型，所述数学模型参数包括：海洋环境参数、G因子参数、布里渊散射谱线的频率；所述数学模型的表达式为：
式中，表示反斯托克斯峰谱线，为反斯托克斯峰的中心频率，为正斯托克斯峰谱线，为正斯托克斯峰的中心频率，S(ω0)为布里渊散射谱线，ω0为布里渊散射谱线的中心频率；
所述反斯托克斯峰谱线、正斯托克斯峰谱线和布里渊散射谱线的表达式相同，对应的中心频率不同；
解析模块，其用于根据已测量的海洋环境参数值，将所述布里渊散射谱线和数学模型进行拟合，得到G因子参数和布里渊散射谱线的频率，将得到的G因子参数和布里渊散射谱线的频率代入所述数学模型，得到布里渊散射谱线的表达式；
运算模块，其用于根据所述布里渊散射谱线的表达式，计算得到待测海洋环境参数。
6.如权利要求5所述的海洋环境参数的测量系统，其特征在于：当所述海洋环境参数为海洋温度时，所述反斯托克斯峰谱线、正斯托克斯峰谱线和布里渊散射谱线的表达式相同，对应的中心频率不同，所述布里渊散射谱线的表达式具体为：
式中，为普朗克常数，ω为频率，为声子的平均数量，k为波矢，T为温度，n为声子数量，c为光速，A为菲涅尔常数，Γ为声子强度衰变率，G(Γ/2)为G因子参数。
7.如权利要求5所述的海洋环境参数的测量系统，其特征在于：还包括滤波处理模块，其用于对所述布里渊散射谱线进行滤波处理。
8.如权利要求5所述的海洋环境参数的测量系统，其特征在于：所述激光发射装置为激光雷达系统。
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