CN108051108A - 一种基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统，其包括如下组件：激光器，其用于产生532nm的低脉冲能量高重复频率激光，并将探测光聚焦到指定深度水域；接收系统，用于从指定深度水域接收后向瑞利布里渊散射光；信号采集系统，用于利用后向瑞利布里渊散射光经过F‑P标准具形成干涉环，经由后端聚焦透镜聚焦后，最终在ICCD上生成二维干涉图像；信号处理与参数反演，用于从采集到的二维干涉图像中提取高精度布里渊频移，并根据海水温度反演模型计算获得指定深度水域的海水温度。
Description
技术领域
本发明涉及海洋温度遥感技术领域，特别涉及一种基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统及方法。
背景技术
布里渊散射是由于介质的密度波动引起的光的非弹性散射现象。这种介质密度波动也会造成光子的频率上的变化，体现在频谱上则是相对于入射光子的频率偏移。对于大量同频率光子以同一方向(如激光)入射介质时，散射光不但会发生频移，并且还会因为与介质的原子或分子相互作用而产生展宽效应，最终其在频谱体现为相对于激光中心频率发生了偏移的布里渊散射峰。该偏移量(布里渊频移)与介质的物理特性，如温度，声速，盐度等有关，且当为的后向布里渊散射时，其关系如下：
其中，vB表示海水布里渊频移，n(S,T,λ)表示海水的折射率，vS(S,T)表示海水的声速，λ表示激光的波长，S表示海水的盐度，T表示海水的温度。其中λ为已知量，S通过历史数据也可以得到，故通过测量布里渊频移就可以得到海水温度。以上就是基于布里渊散射的激光雷达测水下温度廓线的基本原理背景。
对实际的应用而言，该雷达系统需要满足以下基本条件(1)激光光源的波长必须在水中最小吸收波段内，也就是380-550nm之间，以便探测更深的距离。(2)雷达接收系统必须能够精确测量后向布里渊散射频移。(3)整个系统必须抗振动抗干扰环境干扰能力要强。
在先前的系统中往往采用Nd：YAG脉冲激光器(500mJ，10Hz重复频率)来实现对水下深距离的温度廓线的测量，但这种高脉冲能量的激光器尺寸较大，重量较重，且对于振动较为敏感，这就在一定程度上影响了其在实际中的大规模应用。一个有效解决以上问题的方案就是减小激光器的单脉冲能量，提高重复频率，例如5mJ的单脉冲能量，10Hz的重复频率。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种能够快速且高精度地获取布里渊频移以及水下垂直温度分布，具有体积小、抗震性能好、实时性好、抗噪性好的的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统及方法。
一种基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统，其包括如下组件：
激光器，其用于产生532nm的低脉冲能量高重复频率激光，并将探测光聚焦到指定深度水域；
接收系统，用于从指定深度水域接收后向瑞利布里渊散射光；
信号采集系统，用于利用后向瑞利布里渊散射光经过F-P标准具形成干涉环，经由后端聚焦透镜聚焦后，最终在ICCD上生成二维干涉图像；
信号处理与参数反演，用于从采集到的二维干涉图像中提取高精度布里渊频移，并根据海水温度反演模型计算获得指定深度水域的海水温度。
在本发明所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统中，所述激光器为低脉冲能量高重复频率激光器，其包括：脉冲激光产生单元、激光能量放大单元和激光倍频单元。
在本发明所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统中，
所述接收系统包括接收望远镜以及相关透镜组。
在本发明所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统中，
所述信号采集系统包括F-P标准具、聚焦透镜和ICCD。
在本发明所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统中，所述海水温度反演模型为：
T(S,νB)＝a0+a1(νB-7.5)+a2(νB-7.5)2+a3(νB-7.5)3+a4(νB-7.5)6+S[a5+a6(νB-7.5)+a7(νB-7.5)2+a8(νB-7.5)3]
其中，T为温度，ai为常数，i＝1,2,……,8，νB为布里渊频移，S为海水中的盐度。
本发明还提供一种基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温方法，包括如下步骤：
采用低脉冲能量高重复频率激光器产生532nm脉冲激光，并将脉冲光聚焦到指定深度水域，并将探测光聚焦到指定深度水域；
从指定深度水域接收后向瑞利布里渊散射光；
后向瑞利布里渊散射光经过F-P标准具形成干涉环，经由后端聚焦透镜聚焦后，最终在ICCD上成像；
从ICCD成像的干涉圆环中提取布里渊频移，根据海水温度反演模型计算获得指定深度水域的海水温度。
在本发明所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温方法中，
所述低脉冲能量高重复频率激光器包括：脉冲激光产生单元、激光能量放大单元和激光倍频单元。
在本发明所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温方法中，所述脉冲激光器的激光中心波长为532nm，单脉冲能量为5mJ，重复频率为1KHz。
在本发明所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温方法中，从二维干涉谱中提取布里渊频移包括：
采用数据融合算法，从二维的ICCD干涉图中提取一维的散射谱；
采用自适应滤波算法，对一维散射谱进行降噪滤波处理；
使用非线性拟合算法从所述一维频谱中计算获得布里渊频移。
在本发明所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温方法中，所述海水温度反演模型为：
T(S,νB)＝a0+a1(νB-7.5)+a2(νB-7.5)2+a3(νB-7.5)3+a4(νB-7.5)6+S[a5+a6(νB-7.5)+a7(νB-7.5)2+a8(νB-7.5)3]
其中，T为温度，ai为常数，i＝1,2,……,8，νB为布里渊频移，S为海水中的盐度。
实施本发明提供的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统及方法与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)与之前高脉冲能量低重复频率激光器相比，这套系统采用的激光器具有体积小、抗震性能好、抗环境干扰能力强的特点；
(2)这套系统的激光器，单脉冲能量较低，但是可以通过提高重复频率来提升信号的信噪比，保证了其应用能力；
(3)采用F-P标准具结合ICCD的信号采集方式，可以实时获取水下布里渊散射信号，具有良好的实时性。
附图说明
图1是本发明实施例的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统结构框图；
图2是本发明实施例的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统，其包括如下组件：
激光器，其用于产生532nm的低脉冲能量高重复频率激光，并将探测光聚焦到指定深度水域；
接收系统，用于从指定深度水域接收后向瑞利布里渊散射光；
信号采集系统，用于利用后向瑞利布里渊散射光经过F-P标准具形成干涉环，经由后端聚焦透镜聚焦后，最终在ICCD上生成二维干涉图像；
信号处理与参数反演，用于从采集到的二维干涉图像中提取高精度布里渊频移，并根据海水温度反演模型计算获得指定深度水域的海水温度。
在本发明所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统中，所述激光器为低脉冲能量高重复频率激光器，其包括：脉冲激光产生单元、激光能量放大单元和激光倍频单元。
在本发明所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统中，
所述接收系统包括接收望远镜以及相关透镜组。
在本发明所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统中，
所述信号采集系统包括F-P标准具、聚焦透镜和ICCD。
在本发明所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统中，所述海水温度反演模型为：
T(S,νB)＝a0+a1(νB-7.5)+a2(νB-7.5)2+a3(νB-7.5)3+a4(νB-7.5)6+S[a5+a6(νB-7.5)+a7(νB-7.5)2+a8(νB-7.5)3]
其中，T为温度，ai为常数，i＝1,2,……,8，νB为布里渊频移，S为海水中的盐度。
如图2所示，本发明还提供一种基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温方法，包括如下步骤：
采用低脉冲能量高重复频率激光器产生532nm脉冲激光，并将脉冲光聚焦到指定深度水域，并将探测光聚焦到指定深度水域；
从指定深度水域接收后向瑞利布里渊散射光；
后向瑞利布里渊散射光经过F-P标准具形成干涉环，经由后端聚焦透镜聚焦后，最终在ICCD上成像；
从ICCD成像的干涉圆环中提取布里渊频移，根据海水温度反演模型计算获得指定深度水域的海水温度。
在本发明所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温方法中，
所述低脉冲能量高重复频率激光器包括：脉冲激光产生单元、激光能量放大单元和激光倍频单元。
在本发明所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温方法中，所述脉冲激光器的激光中心波长为532nm，单脉冲能量为5mJ，重复频率为1KHz。
在本发明所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温方法中，从二维干涉谱中提取布里渊频移包括：
采用数据融合算法，从二维的ICCD干涉图中提取一维的散射谱；
采用自适应滤波算法，对一维散射谱进行降噪滤波处理；
使用非线性拟合算法从所述一维频谱中计算获得布里渊频移。
在本发明所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温方法中，所述海水温度反演模型为：
T(S,νB)＝a0+a1(νB-7.5)+a2(νB-7.5)2+a3(νB-7.5)3+a4(νB-7.5)6+S[a5+a6(νB-7.5)+a7(νB-7.5)2+a8(νB-7.5)3]
其中，T为温度，ai为常数，i＝1,2,……,8，νB为布里渊频移，S为海水中的盐度。
实施本发明提供的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统及方法与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)与之前高脉冲能量低重复频率激光器相比，这套系统采用的激光器具有体积小、抗震性能好、抗环境干扰能力强的特点；
(2)这套系统的激光器，单脉冲能量较低，但是可以通过提高重复频率来提升信号的信噪比，保证了其应用能力；
(3)采用F-P标准具结合ICCD的信号采集方式，可以实时获取水下布里渊散射信号，具有良好的实时性。
可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统，其特征在于，其包括如下组件：
激光器，其用于产生532nm的低脉冲能量高重复频率激光，并将探测光聚焦到指定深度水域；
接收系统，用于从指定深度水域接收后向瑞利布里渊散射光；
信号采集系统，用于利用后向瑞利布里渊散射光经过F-P标准具形成干涉环，经由后端聚焦透镜聚焦后，最终在ICCD上生成二维干涉图像；
信号处理与参数反演，用于从采集到的二维干涉图像中提取高精度布里渊频移，并根据海水温度反演模型计算获得指定深度水域的海水温度。
2.如权利要求1所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统，其特征在于，所述激光器为低脉冲能量高重复频率激光器，其包括：脉冲激光产生单元、激光能量放大单元和激光倍频单元。
3.如权利要求1所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统，其特征在于，
所述接收系统包括接收望远镜以及相关透镜组。
4.如权利要求1所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统，其特征在于，
所述信号采集系统包括F-P标准具、聚焦透镜和ICCD。
5.如权利要求1所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统，其特征在于，所述海水温度反演模型为：
T(S,νB)＝a0+a1(νB-7.5)+a2(νB-7.5)2+a3(νB-7.5)3+a4(νB-7.5)6+
S[a5+a6(νB-7.5)+a7(νB-7.5)2+a8(νB-7.5)3]
其中，T为温度，ai为常数，i＝1,2,……,8，νB为布里渊频移，S为海水中的盐度。
6.一种基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用低脉冲能量高重复频率激光器产生532nm脉冲激光，并将脉冲光聚焦到指定深度水域，并将探测光聚焦到指定深度水域；
从指定深度水域接收后向瑞利布里渊散射光；
后向瑞利布里渊散射光经过F-P标准具形成干涉环，经由后端聚焦透镜聚焦后，最终在ICCD上成像；
从ICCD成像的干涉圆环中提取布里渊频移，根据海水温度反演模型计算获得指定深度水域的海水温度。
7.如权利要求6所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温方法，其特征在于，
所述低脉冲能量高重复频率激光器包括：脉冲激光产生单元、激光能量放大单元和激光倍频单元。
8.如权利要求6所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温方法，其特征在于，所述脉冲激光器的激光中心波长为532nm，单脉冲能量为5mJ，重复频率为1KHz。
9.如权利要求6所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温方法，其特征在于，从二维干涉谱中提取布里渊频移包括：
采用数据融合算法，从二维的ICCD干涉图中提取一维的散射谱；
采用自适应滤波算法，对一维散射谱进行降噪滤波处理；
使用非线性拟合算法从所述一维频谱中计算获得布里渊频移。
10.如权利要求6所述的基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温方法，其特征在于，所述海水温度反演模型为：
T(S,νB)＝a0+a1(νB-7.5)+a2(νB-7.5)2+a3(νB-7.5)3+a4(νB-7.5)6+
S[a5+a6(νB-7.5)+a7(νB-7.5)2+a8(νB-7.5)3]
其中，T为温度，ai为常数，i＝1,2,……,8，νB为布里渊频移，S为海水中的盐度。
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