CN108918472A - 一种基于海水透过率的海水池标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于海水透过率的海水池标定系统，该系统的配比过程为激光器输出的蓝绿激光经过分光棱镜分别照射在标准海水容器、配比海水容器的照射面上；第一PD管获取标准海水容器的激光强度并转换成电流信号，经过第一锁相放大器电路处理后发送至微控制器；第二PD管获取配比海水容器的激光强度并转换成电流信号，经过第二锁相放大器电路处理后发送至微控制器；微控制器根据获取的信息计算标准海水和配比海水的浓度值并在PC机的LabVIEW软件平台显示。本发明通过标准海水和配比海水的双光路对比测试，对比配比海水与标准海水的浓度值，不断改变配比海水的相关成分的添加量，最终使得配比海水浓度与标准海水浓度相等，完成海水池的标定。

Description

一种基于海水透过率的海水池标定系统

技术领域

本发明涉及海底激光通信系统中海水配比技术领域，特别涉及一种基于海水透过率的海水池标定系统。

背景技术

海水是一个复杂的物理、化学、生物组合系统，它含有溶解物质、悬浮体和很多各种各样的活性有机体。由于海水中的物质和悬浮体的不均匀性，导致光波在水下传播过程中因吸收和散射作用而产生衰减，因而海底光通信技术一直没有得到重视。直到1963年，Dimtley等人在研究光波在海洋中的传播特性时，发现450-550纳米波段内蓝绿光在海水中的衰减比其它光波段的衰减要小很多，证实在海洋中亦存在一个类似于大气中存在的透光窗口。这一物理现象的发现为解决长期水下目标探测、通信等难题提供了基础。

水下光学通信技术研究前期主要集中在军事领域，长期以来一直是水下潜艇通信中的关键技术。美国海军从1977年提出卫星与潜艇间通信的可行性后,就与美国国防研究远景规划局开始执行联合战略激光通信计划。从1980年起,以几乎每两年一次的频率，进行了迄今为止共6次海上大型蓝绿激光对潜通信试验，这些试验包括成功进行的12千米高空对水下300米深海的潜艇的单工激光通信试验，以及在更高的天空、长续航时间的模拟无人驾驶飞机与以正常下潜深度和航速航行的潜艇间的双工激光通信可行性试验，证实了蓝绿激光通信能在天气不正常、大暴雨、海水浑浊等恶劣条件下正常进行。

由此可知，光波的水下传输特性是制约水下光学无线通信质量的重要因素之一，它对整个水下光学无线通信系统设计方案的确定产生着重要影响。所以，研究一套高效可行的海水池标定技术是实现水下激光通信向前发展的关键技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于海水透过率的海水池标定系统，能够使配好的海水浓度与标准海水的一致。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于海水透过率的海水池标定系统，所述海水池标定系统包括：激光测量单元和信号处理单元；

所述激光测量单元包括激光器、分光棱镜、标准海水容器以及配比海水容器；所述信号处理单元包括第一PD管、第二PD管、第一锁相放大器电路、第二锁相放大器电路、微控制器、PC机LabVIEW软件平台；

所述激光器用于发出450～550nm波长的蓝绿激光；所述激光器的输出端与所述分光棱镜的输入端连接；

所述分光棱镜用于将入射的蓝绿激光通量分离为反射光和透射光，并将所述反射光照射到所述标准海水容器的照射面上，所述透射光照射到所述配比海水容器的照射面上；所述分光棱镜的输出端分别与所述标准海水容器的入光口、所述配比海水容器的入光口连接；

所述标准海水容器用于存放标准海水；所述配比海水容器用于存放配比海水；所述标准海水容器的出光口与所述第一PD管的输入端连接；所述配比海水容器的出光口与所述第二PD管的输入端连接；

所述第一PD管用于获取经过标准海水的激光强度，并将所述标准海水的激光强度转换成标准海水电流信号；所述第二PD管用于获取经过配比海水的激光强度，并将所述配比海水的激光强度转换成配比海水电流信号；所述第一PD管的输出端与所述第一锁相放大器电路的输入端连接；所述第二PD管的输出端与所述第二锁相放大器电路的输入端连接；

所述第一锁相放大器电路用于对获取的标准海水电流信号进行转换放大去噪提取处理；所述第二锁相放大器电路用于对获取的配比海水电流信号进行转换放大去噪提取处理；所述第一锁相放大器电路的输出端、所述第二锁相放大器电路的输出端均与所述微控制器的输入端连接；

所述微控制器用于获取处理后的标准海水电压信号和配比海水电压信号，并根据所述处理后的标准海水电压信号和配比海水电压信号，计算标准海水浓度值和配比海水浓度值，实时将所述标准海水浓度值和所述配比海水浓度值发送到所述PC机的LabVIEW软件平台显示。

可选的，所述分光棱镜采用90°分光；所述分光棱镜的折光膜要求为透射光能量与反射光能量之比为1:1。

可选的，所述标准海水容器、所述配比海水容器的入光口和出光口均采用透过率为99％的镀膜。

可选的，所述第一PD管与所述第二PD管相同，均为用PN结单向导电性的结型光电信息转换器件。

可选的，所述第一PD管和所述第二PD管的光谱响应范围均为450～550nm。

可选的，所述第一锁相放大器电路与所述第二锁相放大器电路相同，均包括用于将电流信号转成电压信号的I/V变换电路和用于将电压信号放大并滤除噪声干扰的锁相放大电路。

可选的，所述微控制器为以Atmega128L单片机为核心的处理电路；所述微控制器包括A/D转换器和处理器；所述A/D转换器用于将实时采集的处理后的标准海水电压信号和配比海水电压信号转换成数字电压量信号；所述处理器用于读取所述A/D转换器转换后的数字电压量信号，并结合海水浓度测量原理，计算标准海水浓度值和配比海水浓度值。

可选的，所述微控制器通过UART串口将所述标准海水浓度值和所述配比海水浓度值发送到所述PC机的LabVIEW软件平台。

可选的，所述PC机LabVIEW软件平台包括LabVIEW可执行程序和基于LabVIEW的串口接收驱动程序，所述LabVIEW可执行程序读取所述微控制器发送的所述标准海水浓度值和所述配比海水浓度值，并在所述PC机LabVIEW软件平台上以界面分块的形式显示所述标准海水浓度值和所述配比海水浓度值。

可选的，所述PC机LabVIEW软件平台兼容Windows系统和Linux系统。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种基于海水透过率的海水池标定系统，该海水池标定系统包括：激光器、分光棱镜、标准海水容器、配比海水容器、第一PD管、第二PD管、第一锁相放大器电路、第二锁相放大器电路、微控制器、PC机LabVIEW软件平台；配比过程为激光器输出的蓝绿激光经过分光棱镜分别照射在标准海水容器、配比海水容器的照射面上；第一PD管获取标准海水容器的激光强度并转换成电流信号，经过第一锁相放大器电路处理后发送至微控制器；第二PD管获取配比海水容器的激光强度并转换成电流信号，经过第二锁相放大器电路处理后发送至微控制器；微控制器根据获取的信息计算标准海水和配比海水的浓度值并在PC机的LabVIEW软件平台显示。本发明通过标准海水和配比海水的双光路对比测试，对比配比海水与标准海水的浓度值，不断改变配比海水的相关成分的添加量，最终使得配比海水浓度与标准海水浓度相等，完成海水池的标定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例海水池标定系统的结构框图；

图2为本发明实施例I/V变换电路的结构示意图；

图3为本发明实施例锁相放大电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于海水透过率的海水池标定系统，能够使配好的海水浓度与标准海水的浓度一致。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例海水池标定系统的结构框图。

参见图1，本发明实施例提出了一种基于海水透过率的海水池标定系统，此系统包括两大部分：激光测量单元1和信号处理单元2。

其中激光测量单元1中由激光器3，分光棱镜4，标准海水容器5和配比海水容器6组成；信号处理单元2中由第一PD管7，第二PD管8，第一锁相放大器电路9，第二锁相放大器电路10，微控制器11以及PC机LabVIEW软件平台12组成。

所述激光器3用于发出450～550nm波长的蓝绿激光；所述激光器3的输出端与所述分光棱镜4的输入端连接。

所述分光棱镜4用于将入射的蓝绿激光通量分离为反射光和透射光，并将所述反射光照射到所述标准海水容器5的照射面上，所述透射光照射到所述配比海水容器6的照射面上；所述分光棱镜4的输出端分别与所述标准海水容器5的入光口、所述配比海水容器6的入光口连接。

所述标准海水容器5用于存放标准海水；所述配比海水容器6用于存放配比海水；所述标准海水容器5的出光口与所述第一PD管7的输入端连接；所述配比海水容器6的出光口与所述第二PD管8的输入端连接。

所述第一PD管7用于获取经过标准海水的激光强度，并将所述标准海水的激光强度转换成标准海水电流信号；所述第二PD管8用于获取经过配比海水的激光强度，并将所述配比海水的激光强度转换成配比海水电流信号；所述第一PD管7的输出端与所述第一锁相放大器电路9的输入端连接；所述第二PD管8的输出端与所述第二锁相放大器电路10的输入端连接。

所述第一锁相放大器电路9用于对获取的标准海水电压信号进行放大去噪处理；所述第二锁相放大器电路10用于对获取的配比海水电压信号进行放大去噪处理；所述第一锁相放大器电路9的输出端、所述第二锁相放大器电路10的输出端均与所述微控制器11的输入端连接。

所述微控制器11用于获取处理后的标准海水电压信号和配比海水电压信号，并根据所述处理后的标准海水电压信号和配比海水电压信号，计算标准海水浓度值和配比海水浓度值，实时将所述标准海水浓度值和所述配比海水浓度值发送到所述PC机的LabVIEW软件平台12显示。

所述激光器3能够发出539nm波长的光并调制在2KHz，因为海水对450-550nm段内蓝绿光的衰减比其它光波段的衰减要小很多，存在一个类似于大气中的透光窗口。

所述分光棱镜4是将入射光通量分离为反射和透射两部分，并保证二者有适当的比例关系的元件，除了反射面上镀析光膜(使光部分透射、部分反射的膜层)外，其他方面与平面镜或反射镜并无多大差别。在本发明实施例中所述的分光棱镜4采用1:1镀膜90°分光，所述分光棱镜4的折光膜要求透射光能量与反射光能量之比为1:1；用于对标准海水容器5和配比海水容器6进行照射。

所述标准海水容器5和配比海水容器6的入光口和出光口均采用透光率为99％的镀膜。

所述第一PD管7和第二PD管8的光谱响应范围为450～550nm，主要用于对通过海水容器的光能量探测并输出相应的电压信号。

所述的第一PD管7和第二PD管8均一种用PN结单向导电性的结型光电信息转换器件，与一般半导体二极管类似，其PN结装在管子的顶部，以便接受光照，其上面有一个透镜制成的窗口，以便使光线集中在光敏面。当光敏二极管受光照时，PN结附近受光子轰击吸收其能量而产生电子空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，在外加电场和内电场的共同作用下，P区的电子渡越阻挡层进入N区，N区的空穴进入P区，从而使通过PN结的反向电流大大增加，这就形成了光电流。

所述第一锁相放大器电路9与所述第二锁相放大器电路10相同，均包括用于将电流信号转成电压信号的I/V变换电路和用于将电压信号放大并滤除噪声干扰的锁相放大电路。

如图2所示的I/V变换电路，因为PD管输出的电流比较小，需要将其进行I/V变换进行后续测量。

如图3所示，锁相放大电路利用互相关原理设计的一种同步相干检测电路，可以提供极高的放大倍数、极高的信噪比和很好的差模增益，特别适用于对小信号放大。锁相放大电路包括增益可调、具有前置的低噪声放大器和后端的锁相电路，前端的低噪声放大器对电压信号进行放大，后端的锁相放大器对放大的电压信号彻底滤除噪声干扰。

所述微控制器11为以Atmega128L单片机为核心的处理电路，单片机的内部10位精度的A/D转换器实时采集锁相放大器的输出电压信号，进行A/D变换，单片机读取A/D转换后的数据按照海水浓度测量原理做相关的标定运算计算得出海水浓度值，并将海水浓度数据通过UART串口发送到PC的LABVIEW软件平台12。其中，微控制器11对信号采集处理的频率不低于激光器3激光输出的频率，单片机的串口发送器最大速率可达2.5Mbps，传输距离10-15米范围，使得海水浓度数据传送到上位机轻松便捷。

所述PC机LabVIEW软件平台12兼容Windows系统和Linux系统。所述PC的LABVIEW软件平台12主要LabVIEW可执行程序和基于LabVIEW的串口接收驱动程序，LabVIEW可执行程序可读取微控制器11发送的海水浓度数据，同时在其界面分块显示标准海水和配比海水的浓度值。

所述PC机LabVIEW软件平台12可执行人机交互动作，在海水标定过程中进行实时性的操作，使得海水配比的误差减到最小。

动态工作过程如下：

激光器3发射波长为539nm的光经过平行光管，照射到分光棱镜4的入射面，光路被分光棱镜4的折光膜所作用后，分成两路相等能量的光：一路是透射光，另一路是反射光。反射光经过平行光管后照射到标准海水容器5的照射面，而透射光经过平行光管后照射到配比海水容器6的照射面，通过海水的激光最终在两个海水容器的出光口射出。

标准海水容器5的出光口对准第一PD管7的光敏面，标准海水容器5的出光面由第一PD管7探测出光能量，第一PD管7将光能量转换为电流信号传送到第一锁相放大器电路9，标准海水容器6的出光口对准第二PD管8的光敏面，配比海水容器6的出光面由第二PD管8探测出光的能量，第二PD管8将光能量转换为电流信号传送到第二锁相放大器电路10。

第一锁相放大器电路9将电流信号转换成电压信号，电压信号经过低噪声放大，同时滤除噪声信号，处理后的电压信号发送至微控制器11。微控制器11读取第一锁相放大器电路9输出的电压信号，经过内部A/D变换后，通过海水浓度的计算，得出标准海水浓度的值，并通过串口发送器将标准海水浓度值发送到PC机的LabVIEW软件平台12。PC机的LabVIEW软件平台12中的LabVIEW程序接收到串口的数据，在标准海水显示一栏显示其浓度值。因为在恒定的环境因素下，标准海水的浓度不会改变，所以标准海水浓度的测量在一次试验中只进行一次，但是LabVIEW程序要一直显示标准海水的浓度。

第二锁相放大器电路10将电流信号转换成电压信号，电压信号经过低噪声放大，同时滤除噪声信号，处理后的电压信号发送至微控制器11。微控制器11读取第二锁相放大器电路10输出的电压信号，经过内部A/D变换后，通过海水浓度的计算，得出配比海水浓度的值，通过串口发送器将配比海水浓度值发送到PC机的LabVIEW软件平台12。PC机的LabVIEW软件平台12中的LabVIEW程序接收到串口的数据，在配比海水显示一栏实时显示其浓度值。

根据LabVIEW程序显示的两种海水的浓度值，来不断改变配比海水中相关元素的比例，直至让配比海水与标准海水的浓度值达到一致。

配比过程中本发明利用标准海水和配比海水的双光路对比测试，尽可能的消除光路抖动带来的测量误差，信号处理部分采用锁相放大器电路将电压信号进行放大提取的同时消除了其他噪声，达到减小了电压信号测量带来的误差。

与现有技术相比，本发明的海水池配比技术利用了海水透过率的标定方法，具有以下优点。

第一，通过450～550nm波段的激光对标准海水和配比海水进行照射，形成双光路对比测试，可消除光路抖动带来的影响。

第二，前端利用半返半透的分光棱镜将激光进行等比例90°分光，可消除入射激光能量不相等带来的测量误差。

第三，标准海水和配比海水的容器的入光口和出光口都采用透光率99％的镀膜，可消除容器界面不同透过率对激光能量带来的损失。

第四，在海水容器的出光口利用PD管对激光能量进行测量，其输出的微弱电流信号再经过I/V变换电路，产生的电压信号接到锁相放大电路，按照一定倍数将电压信号放大后传送到微控制器，微控制器接收到电压信号进行A/D变换后，按照海水浓度的相关计算标定后，将标准海水和配比海水的浓度值通过串口发送到PC机。PC机通过执行LabVIEW程序，接收微控制器串口发送的海水浓度数据，并将标准海水和配比海水的浓度值分块实时显示，根据配比海水浓度和标准海水浓度的差距，不断向配比海水中添加相关物质，最终使得两者的浓度相等，完成了利用激光在海水中的透过率对海池的标定，实现了科学的、可靠的和智能化的还水池标定技术，为海底激光通信系统的研究提供了新的仿真通信环境。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于海水透过率的海水池标定系统，其特征在于，所述海水池标定系统包括：激光测量单元和信号处理单元；

所述激光测量单元包括激光器、分光棱镜、标准海水容器以及配比海水容器；所述信号处理单元包括第一PD管、第二PD管、第一锁相放大器电路、第二锁相放大器电路、微控制器、PC机LabVIEW软件平台；

所述激光器用于发出450-550nm波长的蓝绿激光；所述激光器的输出端与所述分光棱镜的输入端连接；

所述分光棱镜用于将入射的蓝绿激光通量分离为反射光和透射光，并将所述反射光照射到所述标准海水容器的照射面上，所述透射光照射到所述配比海水容器的照射面上；所述分光棱镜的输出端分别与所述标准海水容器的入光口、所述配比海水容器的入光口连接；

所述标准海水容器用于存放标准海水；所述配比海水容器用于存放配比海水；所述标准海水容器的出光口与所述第一PD管的输入端连接；所述配比海水容器的出光口与所述第二PD管的输入端连接；

所述第一PD管用于获取经过标准海水的激光强度，并将所述标准海水的激光强度转换成标准海水电流信号；所述第二PD管用于获取经过配比海水的激光强度，并将所述配比海水的激光强度转换成配比海水电流信号；所述第一PD管的输出端与所述第一锁相放大器电路的输入端连接；所述第二PD管的输出端与所述第二锁相放大器电路的输入端连接；

所述第一锁相放大器电路用于对获取的标准海水电流信号进行转换放大去噪提取处理；所述第二锁相放大器电路用于对获取的配比海水电流信号进行转换放大去噪提取处理；所述第一锁相放大器电路的输出端、所述第二锁相放大器电路的输出端均与所述微控制器的输入端连接；

所述微控制器用于获取处理后的标准海水电压信号和配比海水电压信号，并根据所述处理后的标准海水电压信号和配比海水电压信号，计算标准海水浓度值和配比海水浓度值，实时将所述标准海水浓度值和所述配比海水浓度值发送到所述PC机的LabVIEW软件平台显示。

2.根据权利要求1所述的海水池标定系统，其特征在于，所述分光棱镜采用90°分光；所述分光棱镜的折光膜要求为透射光能量与反射光能量之比为1:1。

3.根据权利要求1所述的海水池标定系统，其特征在于，所述标准海水容器、所述配比海水容器的入光口和出光口均采用透过率为99％的镀膜。

4.根据权利要求1所述的海水池标定系统，其特征在于，所述第一PD管与所述第二PD管相同，均为用PN结单向导电性的结型光电信息转换器件。

5.根据权利要求4所述的海水池标定系统，其特征在于，所述第一PD管和所述第二PD管的光谱响应范围均为450～550nm。

6.根据权利要求1所述的海水池标定系统，其特征在于，所述第一锁相放大器电路与所述第二锁相放大器电路相同，均包括用于将电流信号转化为电压信号的I/V变换电路和用于将电压信号放大并滤除噪声干扰的锁相放大电路。

7.根据权利要求1所述的海水池标定系统，其特征在于，所述微控制器为以Atmega128L单片机为核心的处理电路；所述微控制器包括A/D转换器和处理器；所述A/D转换器用于将实时采集的处理后的标准海水电压信号和配比海水电压信号转换成数字电压量信号；所述处理器用于读取所述A/D转换器转换后的数字电压量信号，并结合海水浓度测量原理，计算标准海水浓度值和配比海水浓度值。

8.根据权利要求7所述的海水池标定系统，其特征在于，所述微控制器通过UART串口将所述标准海水浓度值和所述配比海水浓度值发送到所述PC机的LabVIEW软件平台。

9.根据权利要求8所述的海水池标定系统，其特征在于，所述PC机LabVIEW软件平台包括LabVIEW可执行程序和基于LabVIEW的串口接收驱动程序，所述LabVIEW可执行程序读取所述微控制器发送的所述标准海水浓度值和所述配比海水浓度值，并在所述PC机LabVIEW软件平台上以界面分块的形式显示所述标准海水浓度值和所述配比海水浓度值。

10.根据权利要求1所述的海水池标定系统，其特征在于，所述PC机LabVIEW软件平台兼容Windows系统和Linux系统。