CN108107022A - 一种非接触式海洋溶解高温气体监测仪和监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋光学探测领域，提供了一种非接触式海洋溶解高温气体监测仪和监测方法，旨在解决现有接触式原位探测技术无法适用于深海长期监测的技术问题。本发明通过前置光学系统对高温气体目标的辐射光线进行收集，利用窄带干涉滤光片将对不同波长的谱线进行分离，然后经成像透镜成像于探测器上，形成干涉条纹，通过获取的干涉条纹即可计算出高温气体的浓度、温度和压强，整个监测过程无需携带主动光源、能耗低，且为非接触式测量，寿命长，适用于海洋溶解高温气体的长期监测，可为热液的物质通量和热通量研究提供重要依据。

Description

一种非接触式海洋溶解高温气体监测仪和监测方法

技术领域

本发明属于海洋光学探测领域，涉及一种海洋溶解高温气体监测仪和监测方法。

背景技术

海洋活动(热液)释放的高温气体(甲烷、硫化氢、二氧化碳)经扩散作用先后进入海洋和大气，并对地球物理、化学和生物方面产生深刻影响。由于探测手段的限制和溶解高温气体(甲烷、硫化氢、二氧化碳)数据的缺乏，导致人们对热液的活动机制和环境效应还缺乏足够的认识。可用于溶解气体探测的技术主要为原位探测法和实验室测量法。较之实验室测量法，原位探测法不需要考虑样品保真的问题，可以获取更为准确、连续、实时的数据。

目前，对于海洋溶解高温气体(甲烷、硫化氢、二氧化碳)的原位探测法主要有以下几种方式：

1.基于膜脱气技术的探测法

该技术是利用渗透膜对海水进行气液分离后，将高温气体引入检测腔，然后对扩散在腔内的气体进行测量。该技术的缺点是渗透膜分离气体的能力受海水温度、压力和气体浓度影响较大，且渗透膜的结构和材料对探测结果影响较大。另外渗透膜对气体的选择性较差，误差较大。由于需要进样采样，渗透膜的使用寿命较短，且其适应温度不超过50°。

基于该技术的传感器依据测量原理的不同可以分为半导体气敏传感器、红外吸收光谱传感器和水下原位质谱仪三类。半导体气敏传感器的测量原理是：利用高温气体与半导体的氧化反应导致半导体电阻下降，根据探头的电压信号变化判断渗透到半透膜内侧的高温气体浓度。红外吸收光谱传感器的测量原理是：每一种高温气体都有特有的吸收光谱，当光源波长与高温气体的吸收波长吻合时，就会发生共振吸收，通过测量特征波长处的吸收强度就可以计算出高温气体的浓度。水下原位质谱仪的测量原理是：将样品在进样系统中加热使之转化为气体，待测气体进入离子源后转化为带电离子，不同荷质比的离子在磁场力作用下分离，利用质谱图分析高温气体浓度。

2.基于光纤技术的探测法

该技术不需要进样采样，直接在光纤外层涂覆一层高温气体敏感渗透膜，利用高温气体分子与光纤产生的倏逝波的相互作用测量高温气体。该技术的缺点是高温气体敏感渗透膜的材料对探测结果影响较大，由于敏感渗透膜与海水直接接触，其使用寿命很短。

基于该技术的传感器依据测量原理的不同可以分为光纤倏逝波样机和光纤表面等离子体样机两类。光纤倏逝波样机的测量原理为，利用高温气体对倏逝波的特征吸收峰，根据吸收强度计算高温气体浓度。光纤表面等离子体样机的测量原理为，利用高温气体对共振波的角度和波长的影响计算高温气体浓度。

3.基于生物技术的探测法

该技术利用生物的化学和电化学反应，将生化反应转化为电信号，通过对电信号的处理测量高温气体浓度。该技术的缺点是，测量过程中生物活性和反应条件的可控性较差，目前仍处于实验室研究阶段。

综上所述，现有的海洋高温气体原位探测法绝大多数为接触式探测，但其采用的原位接触式传感器，寿命短、适用范围有限，尤其是深海热液处于高温、高压、强腐蚀性极端条件，采用接触式探测传感器无法探测。

发明内容

为了解决现有接触式原位探测技术无法适用于深海长期监测的技术问题，本发明提供了一种可用于深海长期监测的非接触式海洋溶解高温气体监测仪和监测方法。

本发明的技术方案是：

非接触式海洋溶解高温气体监测仪，所述高温气体为甲烷、硫化氢或二氧化碳；其特殊之处在于：包括依次设置的前置光学系统、扩束镜、准直镜、窄带干涉滤光片、成像透镜、探测器和处理器；

前置光学系统用于收集高温气体辐射的光线；

扩束镜用于对所述光线进行扩束；

准直镜用于对光线进行光准直；

所述窄带干涉滤光片的透射波长与被监测的高温气体的辐射波长相匹配；窄带干涉滤光片用于将所述准直镜准直后的不同波长的谱线分离，并将同一波长的多条光线以平行光束出射；

当被监测高温气体为甲烷时，入射至所述窄带干涉滤光片的光线的入射角至少应达到16°；

当被监测高温气体为硫化氢时，入射至所述窄带干涉滤光片的光线的入射角至少应达到10°；

当被监测高温气体为二氧化碳时，入射至所述窄带干涉滤光片的光线的入射角至少应达到7°；

成像透镜用于将窄带干涉滤光片的同一出射角的平行光束汇聚于探测器上，在所述探测器上形成干涉条纹；

所述处理器用于根据所述干涉条纹获取高温气体的浓度、温度和压强信息。

进一步地，所述光学系统和扩束镜之间的距离大于20m时，光学系统和扩束镜通过光纤相连。

进一步地，所述光学系统和扩束镜之间的距离在1m和20m之间时，光学系统和扩束镜之间设置有光导管。

进一步地，所述前置光学系统采用菲涅尔透镜。

本发明同时提供了一种非接触式海洋溶解高温气体监测方法，所述高温气体为甲烷、硫化氢或二氧化碳，包括以下步骤：

1)获取高温气体目标的辐射光线；

2)将获取的辐射光线扩束、准直后以设定的入射角入射至窄带干涉滤光片；

3)窄带干涉滤光片对入射至其上的光束进行谱线分离，并将同一波长的多条光线以平行光束出射；

4)利用成像透镜将窄带干涉滤光片的出射光束成像于探测器上，获取干涉条纹；

5)从所述干涉条纹中提取高温气体的浓度、温度和压强。

进一步地，所述步骤5)提取高温气体的浓度、温度和压强的具体方法为：

5.1)构建干涉条纹与高温气体浓度、温度和压强的模型关系；

5.2)将实测的干涉条纹信息输入步骤5.1)所建立的模型中，反演得到高温气体浓度、温度和压强。

进一步地，所述步骤5.1)构建模型关系的具体方法为：

5.1.1)设定高温气体的三个物理量分别为某一设定值时，记录一组干涉条纹强度；所述三个物理量为浓度、温度和压强；

5.1.2)按照设定规则分别改变所述三个物理量的设定值，记录对应的干涉条纹强度，得到n*m*p组样本数据；每组样本数据包括三个物理量和其所对应的干涉条纹强度；n、m和p分别为浓度、温度和压强值的设定次数；

5.1.3)利用偏最小二乘法建立回归方程，即所述三个物理量与干涉条纹强度的数学关系。

进一步地，所述步骤5.1.2)中三个物理量的设定规则具体为：

浓度设定值范围为0.1μmol/L-100mmol/L，变化间隔根据精度要求和工作量适当选取，对应得到n组数据；

温度设定值范围为4K-400K，变化间隔根据精度要求和工作量适当选取，对应得到m组数据；

压强设定值范围为1MPa-40MPa，变化间隔根据精度要求和工作量适当选取，对应得到p组数据。

进一步地，所述步骤2)中：

当被监测高温气体为甲烷时，入射至所述窄带干涉滤光片的光线的入射角至少应达到16°；

当被监测高温气体为硫化氢时，入射至所述窄带干涉滤光片的光线的入射角至少应达到10°；

当被监测高温气体为二氧化碳时，入射至所述窄带干涉滤光片的光线的入射角至少应达到7°。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明通过前置光学系统对高温气体目标的辐射光线进行收集，利用窄带干涉滤光片将对不同波长的谱线进行分离，然后经成像透镜成像于探测器上，形成干涉条纹，通过获取的干涉条纹即可计算出高温气体的浓度、温度和压强，整个监测过程无需携带主动光源、能耗低，且为非接触式测量，寿命长，适用于海洋溶解高温气体的长期监测，可为热液的物质通量和热通量研究提供重要依据。

2)本发明采用光纤对高温气体目标的辐射光线进行传输，适用于长距离监测。

3)本发明的关键部件，例如菲涅尔透镜、光纤、窄带干涉滤光片的加工制造较为成熟，成本较低，易于实现产业化。

4)本发明反演算法简单、响应快(小于5min)，具有非常好的实时性。

5)本发明无运动部件，具有非常好的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中窄带干涉滤光片的工作示意图；

图3为不同入射角时窄带干涉滤光片的透过率；横坐标为窄带干涉滤光片上入射光的入射角度，纵坐标为窄带干涉滤光片的透过率；图3中曲线A～F分别代表波长为1.6537μm、1.6510μm、1.6482μm、1.6452μm、1.6429μm、1.6403μm的谱线；曲线H代表了不同入射角处，窄带干涉滤光片实际的所有谱线总的透过率；从图3中可以看出各波长谱线最大透过率所对应的入射角度；

图4为本发明实施例中探测器上获取的干涉条纹；

附图标记说明：

1-前置光学系统，2-光纤，3-扩束镜，4-准直镜，5-窄带干涉滤光片，6-成像透镜，7-探测器，8-处理器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例以监测甲烷为例，对本发明所提供的非接触式海洋溶解高温气体监测仪作详细说明。参见图1，本实施例包括依次设置的前置光学系统1、扩束镜3、准直镜4、窄带干涉滤光片5、成像透镜6和探测器7；前置光学系统1和扩束镜3通过光纤2连接。在装调过程中，可通过调整各个元件的间距，使得探测器7上的图像清晰且大小合适。

前置光学系统1，用于收集甲烷目标辐射的光线，并将所述光线会聚于光纤2；为降低成本，易于实现产业化，本实施例中前置光学系统1采用菲涅尔透镜。

光纤2，用于传输光线，适用于长距离传输；在其他短距离传输的实施例中，光纤2可用光导管替代；若应用于更短距离，为了简化结构，也可以省略光导管。

扩束镜3，其作用为对光纤的较细光束进行扩束，且使出射的光线具有较大的发散角。

准直镜4，用于将入射角不同的多束平行光准直后，入射到窄带干涉滤光片5上，以甲烷的六条谱线为例，将1.6403μm，1.6429μm，1.6452μm，1.6482μm，1.6510μm，1.6537μm的入射角分别为15.5°，13.5°，12°，9.5°，7°，0°的多束光准直为平行光束，如图3所示。

窄带干涉滤光片5，用于将准直镜4准直后的不同波长的谱线分离，并将同一波长的多条光线以平行光束出射，如图2所示。

成像透镜6，用于将窄带干涉滤光片5的同一出射角的平行光束汇聚于探测器7上，在探测器7上形成干涉条纹，如图4所示。

处理器8，用于根据所述干涉条纹获取甲烷的浓度、温度和压强信息。

本实施例工作原理：

前置光学系统1获取甲烷目标的辐射光线，辐射光线经光纤2传输至扩束镜3，扩束后的光线再经准直镜4准直，准直后以一定的入射角(从图3可以看出，入射角达到16°，才可以将甲烷的六条谱线全部滤出，并最终得到六个条纹，因此，准直镜4准直后入射到窄带干涉滤光片5的光线的入射角至少应达到16°)入射至窄带干涉滤光片5，由于窄带干涉滤光片5对不同入射角的光线具有不同的透过率，从而将不同波长的谱线分离并以平行光束出射，再经成像透镜6成像于探测器7上，形成六条干涉条纹；根据干涉条纹强度和干涉条纹的强度比值可以计算甲烷的浓度、温度和压强信息。

在后续介绍的第二种高温气体物理量的提取思路中，因为高温气体的物理量有三个，因此需要获取的干涉条纹数目必须大于3，同时考虑窄带干涉滤光片的分辨能力，其能滤出的谱线数目也有限，不能滤出过多的谱线，因此适中选择六条谱线。六条谱线通过窄带干涉滤光片后就会形成六条干涉条纹，然后再利用六条干涉条纹去提取高温气体的三个物理量。

当需要监测硫化氢时，只需要将上述实施例中的窄带干涉滤光片5换成透射波长与被监测的硫化氢或者二氧化碳的辐射波长相匹配的滤光片，将入射至窄带干涉滤光片5光线的入射角调整至至少达到10度即可。

当需要监测二氧化碳时，只需要将上述实施例中的窄带干涉滤光片5换成透射波长与被监测的二氧化碳的辐射波长相匹配的滤光片，将入射至窄带干涉滤光片5光线的入射角调整至至少达到7度即可。

对于如何从干涉条纹提取高温气体物理量，本发明有两种思路：

第一种思路是根据气体辐射的物理机制，逐个计算高温气体的各物理量：

首先将干涉条纹转换为辐亮度，再从辐亮度直接计算高温气体浓度；另外，再利用辐亮度推算谱线强度，根据谱线强度比值，计算温度，最后根据温度与压强的关系，计算压强。由于此种思路需逐个计算参数，处理步骤较多，耗时长。

第二种思路是不深究气体辐射的物理机制，单纯依据数据处理方法，同时计算高温气体的各物理量：

利用干涉条纹直接计算高温气体的三个物理量(浓度、温度和压强)的反演方法，通过前期建模得到干涉条纹与三个物理量的模型关系(虽然前期建模时间较长，但一旦模型建立，对实测数据反演将会非常省时)，实测后直接将干涉条纹信息输入模型，就可以同时得到气体的三个物理量。这种方法，计算简单，速度快。上述的建模具体是指建立高温气体的浓度、温度、压强这三个物理量与干涉条纹强度的数学对应关系；

建模过程具体为：首先设定某一浓度，某一温度，某一压强时，记录一组(六个)干涉条纹强度；然后按照设定规则改变三个物理量的设定值，记录对应的干涉条纹强度，总计得到n*m*p组样本数据；最后利用偏最小二乘法建立回归方程，即三个物理量与干涉条纹强度的数学关系。

其中，三个物理量的设定规则为：

浓度设定值范围为0.1μmol/L-100mmol/L，变化间隔根据精度要求和工作量适当选取，对应得到n组数据；

温度设定值范围为4K-400K，变化间隔根据精度要求和工作量适当选取，对应得到m组数据；

压强设定值范围为1MPa-40MPa，变化间隔根据精度要求和工作量适当选取，对应得到p组数据；

变化间隔越小，反演精度越高，但是工作量越大，因而样本数据量的选择应该适量，以寻求工作量与反演精度的平衡点。

Claims (9)

1.一种非接触式海洋溶解高温气体监测仪，所述高温气体为甲烷、硫化氢或二氧化碳；其特征在于：包括依次设置的前置光学系统(1)、扩束镜(3)、准直镜(4)、窄带干涉滤光片(5)、成像透镜(6)、探测器(7)和处理器；

前置光学系统(1)用于收集高温气体辐射的光线；

扩束镜(3)用于对所述光线进行扩束；

准直镜(4)用于对光线进行光准直；

所述窄带干涉滤光片(5)的透射波长与被监测的高温气体的辐射波长相匹配；窄带干涉滤光片(5)用于将所述准直镜(4)准直后的不同波长的谱线分离，并将同一波长的多条光线以平行光束出射；

当被监测高温气体为甲烷时，入射至所述窄带干涉滤光片(5)的光线的入射角至少应达到16°；

当被监测高温气体为硫化氢时，入射至所述窄带干涉滤光片(5)的光线的入射角至少应达到10°；

当被监测高温气体为二氧化碳时，入射至所述窄带干涉滤光片(5)的光线的入射角至少应达到7°；

成像透镜(6)用于将窄带干涉滤光片(5)的同一出射角的平行光束汇聚于探测器(7)上，在所述探测器(7)上形成干涉条纹；

所述处理器(8)用于根据所述干涉条纹获取高温气体的浓度、温度和压强信息。

2.根据权利要求1所述的非接触式海洋溶解高温气体监测仪，其特征在于：所述光学系统(1)和扩束镜(3)之间的距离大于20m时，光学系统(1)和扩束镜(3)通过光纤(2)相连。

3.根据权利要求1所述的非接触式海洋溶解高温气体监测仪，其特征在于：所述光学系统(1)和扩束镜(3)之间的距离在1m和20m之间时，光学系统(1)和扩束镜(3)之间设置有光导管。

4.根据权利要求1或2或3所述的非接触式海洋溶解高温气体监测仪，其特征在于：所述前置光学系统(1)采用菲涅尔透镜。

5.非接触式海洋溶解高温气体监测方法，所述高温气体为甲烷、硫化氢或二氧化碳；其特征在于，包括以下步骤：

1)获取高温气体目标的辐射光线；

2)将获取的辐射光线扩束、准直后以设定的入射角入射至窄带干涉滤光片；

3)窄带干涉滤光片对入射至其上的光束进行谱线分离，并将同一波长的多条光线以平行光束出射；

4)利用成像透镜将窄带干涉滤光片的出射光束成像于探测器上，获取干涉条纹；

5)从所述干涉条纹中提取高温气体的浓度、温度和压强。

6.根据权利要求5所述的非接触式海洋溶解高温气体监测方法，其特征在于：所述步骤5)提取高温气体的浓度、温度和压强的具体方法为：

5.1)构建干涉条纹与高温气体浓度、温度和压强的模型关系；

5.2)将实测的干涉条纹信息输入步骤5.1)所建立的模型中，反演得到高温气体浓度、温度和压强。

7.根据权利要求6所述的非接触式海洋溶解高温气体监测方法，其特征在于：所述步骤5.1)构建模型关系的具体方法为：

5.1.1)设定高温气体的三个物理量分别为某一设定值时，记录一组干涉条纹强度；所述三个物理量为浓度、温度和压强；

5.1.2)按照设定规则分别改变所述三个物理量的设定值，记录对应的干涉条纹强度，得到n*m*p组样本数据；每组样本数据包括三个物理量和其所对应的干涉条纹强度；n、m和p分别为浓度、温度和压强值的设定次数；

5.1.3)利用偏最小二乘法建立回归方程，即所述三个物理量与干涉条纹强度的数学关系。

8.根据权利要求7所述的非接触式海洋溶解高温气体监测方法，其特征在于：所述步骤5.1.2)中三个物理量的设定规则具体为：

浓度设定值范围为0.1μmol/L-100mmol/L，变化间隔根据精度要求和工作量适当选取，对应得到n组数据；

温度设定值范围为4K-400K，变化间隔根据精度要求和工作量适当选取，对应得到m组数据；

压强设定值范围为1MPa-40MPa，变化间隔根据精度要求和工作量适当选取，对应得到p组数据。

9.根据权利要求5所述的非接触式海洋溶解高温气体监测方法，其特征在于，所述步骤2)中：

当被监测高温气体为甲烷时，入射至所述窄带干涉滤光片的光线的入射角至少应达到16°；

当被监测高温气体为硫化氢时，入射至所述窄带干涉滤光片的光线的入射角至少应达到10°；

当被监测高温气体为二氧化碳时，入射至所述窄带干涉滤光片的光线的入射角至少应达到7°。