CN109883650A - 基于激光干涉的感知海洋湍流和海洋颗粒的装置 - Google Patents
基于激光干涉的感知海洋湍流和海洋颗粒的装置 Download PDFInfo
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Abstract
基于激光干涉的感知海洋湍流和海洋颗粒的装置，涉及光学模拟探测技术领域，为解决现有技术中单一测量系统同时感知湍流强度变化和颗粒物浓度变化时难以有效分离湍流信号和颗粒物信号的问题，本装置包括防水封装外壳、第一防水透光窗口、第二防水透光窗口、连续型单纵模激光器、单模光纤、第一光纤分束器、第二光纤分束器、第三光纤分束器、光纤空间光耦合器、滤波片、偏振片、空间光光纤耦合器、光纤合束器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、信号供电缆和控制分析系统，本装置能有效的同时感知湍流信号和颗粒物信号。本发明可广泛应用于海洋探测领域。
Description
技术领域
本发明涉及光学模拟探测技术领域，具体为一种感知海洋湍流和海洋颗粒的装置。
背景技术
海洋湍流和颗粒物是海洋环境监测的重要指标，为海洋物理研究和海洋运动物体监测提供重要依据。
湍流，是流体的一种不稳定的、复杂的流动状态，也被称作为紊流。以往的海洋探测系统在进行模拟探测实验时，对于水体的各种参数考虑较多，如温度、盐度以及粘滞数等海洋环境参数对探测信号的影响，而海洋湍流效应由于其难以控制，在进行海洋探测实验时很少考虑到。海洋湍流是一种高频的随机运动，在海洋中普遍存在，海洋湍流运动的模拟以及将其运用于水下目标探测实验中，对于海洋湍流效应下的目标探测具有重要意义。湍流对于海水的运动速度、盐度特性及水中溶解态有显著影响，研究湍流运动在受激布里渊散射激光雷达方面的影响，可以更好地建立海洋模拟模型，有利于在海洋中进行更准确的目标探测。
海洋颗粒物通过大气将大陆上许多自然物质和污染物质输送至海洋，大气悬浮颗粒物携带的各种物质通过重力沉降、降雨、降雪等过程进入海洋，成为海洋中许多元素的重要来源。
传统的湍流测量技术和颗粒物测量技术是两套独立的测量系统和方法。其中，湍流测量技术依据光经过湍流的闪烁和光斑的漂移进行测量，颗粒物测量技术依据颗粒物吸收造成的光强衰减进行测量，也有另一类颗粒物测量技术依据颗粒物经过光束以后造成的光强闪烁进行测量。
单一测量系统同时感知湍流强度变化和颗粒物浓度变化。实现难点在于湍流和颗粒物都会对激光光束造成扰动，在湍流和颗粒物同时存在的情形下，难以有效同时感知湍流强度变化和颗粒物浓度变化。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术中单一测量系统难以同时有效的感知湍流强度变化和颗粒物浓度变化。提供一种基于激光干涉的感知海洋湍流和海洋颗粒的装置。
本发明采用如下技术方案实现：基于激光干涉的感知海洋湍流和海洋颗粒的装置，包括：防水封装外壳1、第一防水透光窗口2、第二防水透光窗口4、连续型单纵模激光器3、单模光纤、第一光纤分束器5-1、第二光纤分束器5-2、第三光纤分束器5-3、光纤-空间光耦合器6、滤波片7、偏振片8、空间光-光纤耦合器9、光纤合束器10、第一光电探测器11-1、第二光电探测器11-2、第三光电探测器11-3、信号供电缆12和控制分析系统13；
激光由所述连续型单纵模激光器3发出，经由单模光纤被第二光纤分束器5-2分为两路，其中一路经过第三光纤分束器5-3后再分为两路，一路进入第三光电探测器11-3转化为电信号，另一路进入光纤合束器10；
经过第二光纤分束器5-2的另一路经过光纤-空间光耦合器6和第一防水透光窗口2进入待测水体，随后依次经过第二防水透光窗口4、滤波片7、偏振片8和空间光-光纤耦合器9，被空间光-光纤耦合器9耦合进入光纤传输至第一光纤分束器5-1，进入第一光纤分束器5-1的光被分为两路，一路进入第一光电探测器11-1转化为电信号，另一路进入光纤合束器10；
进入光纤合束器10的两路光合为一路发生干涉后进入第二光电探测器11-2转化为电信号；
所述控制分析系统13用于对电信号进行数据分析、处理和存储。
本发明具有如下有益效果：本发明装置通过从光强信号与相位信号的乘积信号的低频区间提取湍流场信息，从光强信号的高频区间提取颗粒物信息，有效的分离湍流信号和颗粒物信号，本发明装置可以得到所感知颗粒物尺度为百微米量级及以上的颗粒，所感知海洋湍流场为折射率浮动达10-4量级的湍流。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式基于激光干涉的感知海洋湍流和海洋颗粒的装置，其特征在于包括：防水封装外壳1、第一防水透光窗口2、第二防水透光窗口4、连续型单纵模激光器3、单模光纤、第一光纤分束器5-1、第二光纤分束器5-2、第三光纤分束器5-3、光纤-空间光耦合器6、滤波片7、偏振片8、空间光-光纤耦合器9、光纤合束器10、第一光电探测器11-1、第二光电探测器11-2、第三光电探测器11-3、信号供电缆12和控制分析系统13；
激光由所述连续型单纵模激光器3发出，经由单模光纤被第二光纤分束器5-2分为两路，其中一路经过第三光纤分束器5-3后再分为两路，一路进入第三光电探测器11-3转化为电信号，另一路进入光纤合束器10；
经过第二光纤分束器5-2的另一路经过光纤-空间光耦合器6和第一防水透光窗口2进入待测水体，随后依次经过第二防水透光窗口4、滤波片7、偏振片8和空间光-光纤耦合器9，被空间光-光纤耦合器9耦合进入光纤传输至第一光纤分束器5-1，进入第一光纤分束器5-1的光被分为两路，一路进入第一光电探测器11-1转化为电信号，另一路进入光纤合束器10；
进入光纤合束器10的两路光合为一路发生干涉后进入第二光电探测器11-2转化为电信号；
所述控制分析系统13用于对电信号进行数据分析、处理和存储。
装置的感知原理为：湍流和颗粒共同存在的水体会对光束造成扰动。湍流会导致激光光束的偏折，进而导致光强信号和相位信号的同步起伏。水体中所含微小颗粒也会对光强和相位产生扰动。但当颗粒直径远小于光束直径时，其产生相位扰动极小。此时，光强信号和相位信号的乘积会放大湍流场的响应。
另外，湍流场对光强信号和相位信号的扰动分布在低频区间，颗粒物对光强信号的扰动分布在高频区间。因此，可以从光强信号与相位信号的乘积信号的低频区间提取湍流场信息，从光强信号的高频区间提取颗粒物信息。
控制分析系统13中还设有蓄电池、可对连续型单纵模激光器3和光电探测器进行供电和控制。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述控制分析系统(13)对第一光电探测器(11-1)、第二光电探测器(11-2)和第三光电探测器(11-3)所传递的时序电信号执行如下分析流程：
步骤一：将装置投放入待测水域，此时控制分析系统(13)通过第一光电探测器(11-1)、第二光电探测器(11-2)和第三光电探测器(11-3)同时各采集一段时序电信号IA(t)、IB(t)、IC(t)，采样时间不低于1分钟，采样频率不低于50Hz；
步骤二：控制分析系统(13)对步骤一所得三段信号执行初级滤波：若控制分析系统(13)为光电探测器和激光器提供频率为f0的交流电，则控制分析系统(13)滤去这三段信号中的频率为f0及其倍频nf0的信号成分，n＝1,2,3…，滤波后得到信号I1A(t)、I1B(t)、I1C(t)；若控制分析系统(13)为光电探测器和激光器提供直流电，则不执行初级滤波，即I1A(t)＝IA(t)、I1B(t)＝IB(t)、I1C(t)＝IC(t)；
步骤三：计算干涉仪两光路相位差的时序值θ0(t)：
步骤四：控制分析系统(13)对计算得到的相位差时序值θ0(t)进行相位解包裹，得到连续化相位差信号θ1(t)；
步骤五：控制分析系统(13)对θ1(t)和I1A(t)做信号乘积，得到信号p(t)＝θ1(t)×I1A(t)；
步骤六：控制分析系统(13)对p(t)做傅里叶变换得到P(f)，从其中提取湍流特征频段[fs/Ns,ft]，其中fs为光电探测器采样频率，Ns为IA(t)的采样点数，ft需满足:
其中df为对P(f)在频率坐标上进行积分的微元表示；
步骤七：控制分析系统(13)对I1A(t)做傅里叶变换得到IP(f)，从其中提取湍流特征频段[fp,fs/2]，其中fp需满足:
步骤八：控制分析系统(13)计算湍流场感知指标颗粒物感知指标
经上述分析流程，控制分析系统13可得到该段信号I(t)对应的湍流场感知指标Wt和颗粒物感知指标Wp，若Wt增加，则湍流场强度增加；若Wp增加，则颗粒物含量增加。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述装置中入射水体光束直径为0.5cm-1cm。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述第一防水透光窗口2和第二防水透光窗口4的间距为50cm-75cm。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述第一防水透光窗口(2)、第二防水透光窗口(4)、连续型单纵模激光器(3)、单模光纤、第一光纤分束器(5-1)、第二光纤分束器(5-2)、第三光纤分束器(5-3)、光纤-空间光耦合器(6)、滤波片(7)、偏振片(8)、空间光-光纤耦合器(9)、光纤合束器(10)、第一光电探测器(11-1)、第二光电探测器(11-2)和第三光电探测器(11-3)的工作波长与连续型单纵模激光器(3)的工作波长一致。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五的进一步说明，本实施方式与具体实施方式五的区别是所述连续型激光器3的波长在可见光波段，波长为532nm。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述偏振片(8)、第一光纤分束器(5-1)、第二光纤分束器(5-2)、第三光纤分束器(5-3)和光纤合束器(10)的偏振方向与连续型单纵模激光器(3)的输出偏振方向匹配。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述装置中的光纤为斜口接头，以降低光纤端面反射，减小干涉仪噪声。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述单模光纤中设有光纤隔离器，用于抑制光纤端面反射。
具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述装置还包括电缆接口14，所述控制分析系统13通过电缆接口14与外部设备连接。
该控制分析系统可通过电缆接口14与外部设备进行连接，实现电源充电、数据传输等功能。
需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.基于激光干涉的感知海洋湍流和海洋颗粒的装置，其特征在于包括：防水封装外壳(1)、第一防水透光窗口(2)、第二防水透光窗口(4)、连续型单纵模激光器(3)、单模光纤、第一光纤分束器(5-1)、第二光纤分束器(5-2)、第三光纤分束器(5-3)、光纤-空间光耦合器(6)、滤波片(7)、偏振片(8)、空间光-光纤耦合器(9)、光纤合束器(10)、第一光电探测器(11-1)、第二光电探测器(11-2)、第三光电探测器(11-3)、信号供电缆(12)和控制分析系统(13)；
激光由所述连续型单纵模激光器(3)发出，经由单模光纤被第二光纤分束器(5-2)分为两路，其中一路经过第三光纤分束器(5-3)后再分为两路，一路进入第三光电探测器(11-3)转化为电信号，另一路进入光纤合束器(10)；
经过第二光纤分束器(5-2)的另一路经过光纤-空间光耦合器(6)和第一防水透光窗口(2)进入待测水体，随后依次经过第二防水透光窗口(4)、滤波片(7)、偏振片(8)和空间光-光纤耦合器(9)，被空间光-光纤耦合器(9)耦合进入光纤传输至第一光纤分束器(5-1)，进入第一光纤分束器(5-1)的光被分为两路，一路进入第一光电探测器(11-1)转化为电信号，另一路进入光纤合束器(10)；
进入光纤合束器(10)的两路光合为一路发生干涉后进入第二光电探测器(11-2)转化为电信号；
所述控制分析系统(13)用于对电信号进行数据分析、处理和存储。
2.根据权利要求1所述的基于激光干涉的感知海洋湍流和海洋颗粒的装置，其特征在于：所述控制分析系统(13)对第一光电探测器(11-1)、第二光电探测器(11-2)和第三光电探测器(11-3)所传递的时序电信号执行如下分析流程：
步骤一：将装置投放入待测水域，此时控制分析系统(13)通过第一光电探测器(11-1)、第二光电探测器(11-2)和第三光电探测器(11-3)同时各采集一段时序电信号IA(t)、IB(t)、IC(t)，采样时间不低于1分钟，采样频率不低于50Hz；
步骤二：控制分析系统(13)对步骤一所得三段信号执行初级滤波：若控制分析系统(13)为光电探测器和激光器提供频率为f0的交流电，则控制分析系统(13)滤去这三段信号中的频率为f0及其倍频nf0的信号成分，n＝1,2,3…，滤波后得到信号I1A(t)、I1B(t)、I1C(t)；若控制分析系统(13)为光电探测器和激光器提供直流电，则不执行初级滤波，即I1A(t)＝IA(t)、I1B(t)＝IB(t)、I1C(t)＝IC(t)；
步骤三：计算干涉仪两光路相位差的时序值θ0(t)：
步骤四：控制分析系统(13)对计算得到的相位差时序值θ0(t)进行相位解包裹，得到连续化相位差信号θ1(t)；
步骤五：控制分析系统(13)对θ1(t)和I1A(t)做信号乘积，得到信号p(t)＝θ1(t)×I1A(t)；
步骤六：控制分析系统(13)对p(t)做傅里叶变换得到P(f)，从其中提取湍流特征频段[fs/Ns,ft]，其中fs为光电探测器采样频率，Ns为IA(t)的采样点数，ft需满足:
其中df为对P(f)在频率坐标上进行积分的微元表示；
步骤七：控制分析系统(13)对I1A(t)做傅里叶变换得到IP(f)，从其中提取湍流特征频段[fp,fs/2]，其中fp需满足:
步骤八：控制分析系统(13)计算湍流场感知指标颗粒物感知指标
3.根据权利要求1所述的基于激光干涉的感知海洋湍流和海洋颗粒的装置，其特征在于：入射水体光束直径为0.5cm-1cm。
4.根据权利要求1所述的基于激光干涉的感知海洋湍流和海洋颗粒的装置，其特征在于：所述第一防水透光窗口(2)和第二防水透光窗口(4)的间距为50cm-75cm。
5.根据权利要求1所述的基于激光干涉的感知海洋湍流和海洋颗粒的装置，其特征在于：所述第一防水透光窗口(2)、第二防水透光窗口(4)、连续型单纵模激光器(3)、单模光纤、第一光纤分束器(5-1)、第二光纤分束器(5-2)、第三光纤分束器(5-3)、光纤-空间光耦合器(6)、滤波片(7)、偏振片(8)、空间光-光纤耦合器(9)、光纤合束器(10)、第一光电探测器(11-1)、第二光电探测器(11-2)和第三光电探测器(11-3)的工作波长与连续型单纵模激光器(3)的工作波长一致。
6.根据权利要求5所述的基于激光干涉的感知海洋湍流和海洋颗粒的装置，其特征在于：所述连续型激光器(3)的波长在可见光波段，波长为532nm。
7.根据权利要求1所述的基于激光干涉的感知海洋湍流和海洋颗粒的装置，其特征在于：所述偏振片(8)、第一光纤分束器(5-1)、第二光纤分束器(5-2)、第三光纤分束器(5-3)和光纤合束器(10)的偏振方向与连续型单纵模激光器(3)的输出偏振方向匹配。
8.根据权利要求1所述的基于激光干涉的感知海洋湍流和海洋颗粒的装置，其特征在于：所述装置中的光纤为斜口接头。
9.根据权利要求1所述的基于激光干涉的感知海洋湍流和海洋颗粒的装置，其特征在于：所述单模光纤中设有光纤隔离器。
10.根据权利要求1所述的基于激光干涉的感知海洋湍流和海洋颗粒的装置，其特征在于：所述装置还包括电缆接口(14)，所述控制分析系统(13)通过电缆接口(14)与外部设备连接。
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Granted publication date: 20200724 Termination date: 20210328 |
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