CN110057731A - 基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知方法及装置 - Google Patents
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Abstract
基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知方法及装置，涉及光学模拟探测技术领域，为解决现有基于激光干涉同时感知湍流强度变化和颗粒物浓度变化的装置存在结构复杂，易受系统机械振动和环境温湿度影响，噪声严重等问题，本发明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激光器、光纤空间光耦合器、滤波片、空间光光纤耦合器、单模光纤、光电探测器、控制分析系统、信号共电缆、电缆接口和流速传感器，本发明能有效的分离湍流信号和颗粒物信号，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。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，具体为一种水下杂质和湍流的综合感知装置及方 法。
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，而现有技术中，部分人选择通过激光干涉同时感知湍流强度变化和颗粒物 浓度变化，但激光干涉的装置结构复杂，易受系统机械振动和环境温湿度影响，噪声严重， 而且基于干涉的条件，需要保证同频率、同偏振、相位差固定、光束的亮度差别小等条件。
发明内容
本发明的目的是：针对现有基于激光干涉同时感知湍流强度变化和颗粒物浓度变化的 装置存在结构复杂，易受系统机械振动和环境温湿度影响，噪声严重等问题，提出一种基 于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知方法及装置。
本发明采用如下技术方案实现：基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知装置，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2-1、连续型激光器3、光纤-空间光耦合器4、滤波片5、空间光-光纤耦合器6、光电探测器8、控制分析系统9、 信号共电缆10和流速传感器12；
激光由所述连续型激光器3发出，经过单模光纤和光纤-空间光耦合器4形成空间光， 空间光经过第一防水透光窗口2进入待测水体，随后依次通过第二防水透光窗口2-1、滤 波片5和空间光-光纤耦合器6，经过空间光-光纤耦合器6耦合进单模光纤,并传输至光电探测器8，光电探测器8将光强信号转换为电信号发送给控制分析系统9；
所述控制分析系统9用于分析、处理和存储光电探测器8发送的光强信号和流速传感 器12发送的流速数据。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过计算透射光信号中的高频成分和低频成分，可有效分离湍流信号和颗 粒物信号，实现对水域中的湍流和杂质进行同步感知。
2、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。
3、本发明装置使用的部件少,结构简单，维护容易，而且本发明采用的部件少,实验 时不易产生故障,并且,试验有误差时,排查容易,因本装置使用的部件少,因此节约了试验 成本,本装置结构简单、维护容易，降低了装置的损坏率。
4、本发明装置使用时，不需要注意额外的条件，使其准确性大幅提升，并且不会分散使用人员的注意力。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图。
图2是本发明颗粒物和湍流场的频段分布图。
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，基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知装置，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2-1、连续型激光器3、光纤-空间光耦合器4、滤波片5、空间光-光纤耦合 器6、光电探测器8、控制分析系统9、信号共电缆10和流速传感器12；
激光由所述连续型激光器3发出，经过单模光纤和光纤-空间光耦合器4形成空间光， 空间光经过第一防水透光窗口2进入待测水体，随后依次通过第二防水透光窗口2-1、滤 波片5和空间光-光纤耦合器6，经过空间光-光纤耦合器6耦合进单模光纤,并传输至光电探测器8，光电探测器8将光强信号转换为电信号发送给控制分析系统9；
所述控制分析系统9用于分析、处理和存储光电探测器8发送的光强信号和流速传感 器12发送的流速数据。
测量功能由图1所示装置实现，装置包含防水封装外壳1、第一防水透光窗口2、第二防水透光窗口2-1、连续型激光器3、光纤-空间光耦合器4、滤波片5、空间光-光纤耦 合器6、单模光纤7、光电探测器8、控制分析系统9、信号供电缆10、流速传感器12组 成。
激光由连续型激光器3发出，经由单模光纤7和光纤-空间光耦合器4形成空间光，空间光通过第一防水透光窗口2进入待测水体，随后通过图1右侧的第二防水透光窗口 2-1和滤波片5，被空间光-光纤耦合器6耦合进单模光纤，并传输至光电探测器8，光电 探测器8将光强信号转换为电信号，传递给控制分析系统9，由控制分析系统9对电信号 进行数据分析、处理和存储，流速传感器12获取测量区域流速场信息，将流速数据通过 信号供电缆10传递给控制分析系统9。
装置感知原理如下：
颗粒物和湍流场是海洋水体中存在的随机“物质“，其时空分布具有随机性，但统计 规律仍旧存在。较低密度的颗粒物对光信号的光强产生影响。光束经过水体的长度为L，光束直径为d，颗粒物密度为D个/m3，水体整体流速为V。则单位时间穿过光束的颗粒 物数量N个/s约为：
N≈DdLV
由于颗粒物对光束具有吸收作用，运动颗粒物使光强发生起伏，起伏的“中心频率” 约为：
fparticle≈N＝DdLV
依据启发分析理论《涡旋光在大气湍流中的传输》，饶瑞中，湍流场对光传输的作用可 看作由中小尺度涡旋产生的随机透镜作用。水体湍流场作用于信号光光束，可看作是一定 数量的中小尺度随机透镜的运动、产生、湮灭。设引起光束信号发生变化的湍流场随机透 镜平均尺度为r。由于r＜＜L，可忽略随机透镜的产生湮灭过程，仅考虑在水体流动作用下 的随机透镜运动过程。随机透镜作用于光束，产生偏折。移动的随机透镜作用于光束，产 生随时变化的光束偏折，进而导致光强发生起伏。起伏的“中心频率”约为：
颗粒物引起的光强起伏中心频率与湍流引起的光强起伏中心频率之比为：
由此可知，当Ld足够大时，运动颗粒物所引起的透射光信号起伏“中心频率”远高于 湍流引起的透射光信号起伏“中心频率”，进而使颗粒物和湍流场的频段分开，形成如图2 所示分布。通过计算透射光信号中的高频成分和低频成分，可提取到湍流、颗粒物的信息。 一般地，湍流场越强，低频起伏越明显，颗粒物密度越多，高频起伏越明显。通过分析高频、低频成分变化，可感知湍流强度变化和颗粒物浓度变化。
控制分析系统9包含电源可控制功能，可以对激光器、流速传感器和光电探测器进行 供电和控制。
所感知颗粒物尺度达百微米量级，所感知海洋湍流场为折射率浮动达10-4量级的湍 流。如无特殊声明，本发明内容中的物理量均使用国际单位制。
使用本发明可有效同时感知湍流强度变化和颗粒物浓度变化，有效分离湍流信号和颗 粒物信号。
具体实施方式二：本实施方式是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11，所述控制分析系统9通过电缆接口11与外部设备连接。
该控制分析系统可通过电缆接口11与外部设备进行连接，实现电源充电、数据传输 等功能。
具体实施方式三：本实施方式是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2-1、连续型激光器3、光纤-空间光耦合器4、滤波片5、空间光-光纤耦合器6和光电探测器8的工作波长与连 续型激光器3的工作波长一致。
具体实施方式四：本实施方式是具体实施方式三的进一步说明，本实施方式与具体 实施方式三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。
具体实施方式五：本实施方式是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7中设有光纤隔离器，用于抑制光纤端面反射。
具体实施方式六：本实施方式是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光电探测器8的采样频率不低于50Hz。
具体实施方式七：本实施方式是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9通过光电探测器8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，控制分析系统9通过光电探测器8采集一段时序电 信号I(t)，同时通过流速传感器12采集同一时段的流速信号V(t)，采集时长T满足t0为该段信号的采集起始时间，dt为对流速信号在时间坐标上进行积分的微元表示；
步骤二、控制分析系统9对I(t)执行初级滤波：若控制分析系统9为光电探测器8和连续型激光器3提供频率为f0的交流电，则控制分析系统9滤去I(t)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I1(t)；若控制分析系统9为光电探 测器8和连续型激光器3提供直流电，则不执行初级滤波，即I1(t)＝I(t)；
步骤三、控制分析系统9对步骤二所得I1(t)执行坐标变换：结合I1(t)和流速信号V(t)，得到数据I2(x)，其中I2(x)＝I1(τ)，τ为V(t)信号上各采样点的 时间坐标值，即采样点上t的取值；
步骤四、控制分析系统9对步骤三所得I2(x)执行傅里叶变换，得到频谱GI(f)；
步骤五、控制分析系统9依据装置参数设定分析参数：装置摄入水体的光束直径为d， 光束在水体中的传输距离为L，则分析参数设定为f1＝0.8BdL+200，其中B为人工设定的所需感知到的最低颗粒物密度，B的取值根据实际使用需求设定；
步骤六、控制分析系统9计算湍流场感知指标颗粒物感知指标其中F取值为信号I(t)采样频率的一半，df为对频谱GI(f)在频率 坐标上进行积分的微元表示。
经上述分析流程，通过控制分析系统9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。
具体实施方式八：本实施方式是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包括以下步骤：
步骤一、光束经过水体的长度为L，光束直径为d，颗粒物密度为D个/m3，水体整 体流速为V，则单位时间穿过光束的颗粒物数量N个/s，N≈DdLV，
起伏的中心频率为：fparticle≈N＝DdLV；
步骤二、假设湍流场随机透镜平均尺度为r，起伏的中心频率为：
颗粒物引起的光强起伏中心频率与湍流引起的光强起伏中心频率之比 为：
步骤三、通常r≈d,Ld2＞10/D，运动颗粒物所引起的透射光信号起伏中心频率远高 于湍流引起的透射光信号起伏中心频率，颗粒物和湍流场的频段分开。
具体实施方式九：本实施方式是具体实施方式八的进一步说明，本实施方式与具体 实施方式八的区别是还包括步骤四：计算透射光信号中的高频成分和低频成分。
通过本实施方式可以得到海洋湍流、颗粒物的信息，一般地，湍流场越强，低频起伏 越明显，颗粒物密度越多，高频起伏越明显。通过分析高频、低频成分变化，可感知湍流强度变化和颗粒物浓度变化。
需要说明的是具体实施方式二和具体实施方式九的关联是间接的，具体实施方式二是 具体步骤，具体实施方式九是原理。
具体实施方式九说明颗粒物信号分布在时间频率域的高频，湍流信号分布在时间频率 域的低频。但高频和低频是需要界定的。这种界定在具体实施方式二实现。
具体实施方式二的步骤三将时间信号转换到空间频率域上，这个转化过程需要流速信 息，并以f1作为分界线，大于f1的属于高频，小于f1的属于低频。
步骤六对高频积分得到颗粒信息，对低频积分得到湍流信息。
具体实施方式二的高低频界定不是直接在时间频率域上，而是把信号转化到空间频率 域上进行间接的界定。
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 (9)
1.基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知装置，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(2-1)、连续型激光器(3)、光纤-空间光耦合器(4)、滤波片(5)、空间光-光纤耦合器(6)、光电探测器(8)、控制分析系统(9)、信号共电缆(10)和流速传感器(12)；
激光由所述连续型激光器(3)发出，经过单模光纤和光纤-空间光耦合器(4)形成空间光，空间光经过第一防水透光窗口(2)进入待测水体，随后依次通过第二防水透光窗口(2-1)、滤波片(5)和空间光-光纤耦合器(6)，经过空间光-光纤耦合器(6)耦合进单模光纤,并传输至光电探测器(8)，光电探测器(8)将光强信号转换为电信号发送给控制分析系统(9)；
所述控制分析系统(9)用于分析、处理和存储光电探测器(8)发送的光强信号和流速传感器(12)发送的流速数据。
2.根据权利要求1所述的基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知装置，其特征在于：还包括电缆接口(11)，所述控制分析系统(9)通过电缆接口(11)与外部设备连接。
3.根据权利要求1所述的基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知装置，其特征在于：所述第一防水透光窗口(2)、第二防水透光窗口(2-1)、连续型激光器(3)、光纤-空间光耦合器(4)、滤波片(5)、空间光-光纤耦合器(6)和光电探测器(8)的工作波长与连续型激光器(3)的工作波长一致。
4.根据权利要求3所述的基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知装置，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。
5.根据权利要求1所述的基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知装置，其特征在于：所述单模光纤(7)中设有光纤隔离器。
6.根据权利要求1所述的基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知装置，其特征在于：所述光电探测器(8)的采样频率不低于50Hz。
7.一种根据权利要求1所述装置的海洋湍流和颗粒感知方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、将装置投放入待测水域，控制分析系统(9)通过光电探测器(8)采集一段时序电信号I(t)，同时通过流速传感器(12)采集同一时段的流速信号V(t)，采集时长T满足t0为该段信号的采集起始时间，dt为对流速信号在时间坐标上进行积分的微元表示；
步骤二、控制分析系统(9)对I(t)执行初级滤波：若控制分析系统(9)为光电探测器8和连续型激光器3提供频率为f0的交流电，则控制分析系统(9)滤去I(t)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I1(t)；若控制分析系统(9)为光电探测器(8)和连续型激光器(3)提供直流电，则不执行初级滤波，即I1(t)＝I(t)；
步骤三、控制分析系统(9)对步骤二所得I1(t)执行坐标变换：结合I1(t)和流速信号V(t)，得到数据I2(x)，其中I2(x)＝I1(τ)，τ为V(t)信号上各采样点的时间坐标值，即采样点上t的取值；
步骤四、控制分析系统(9)对步骤三所得I2(x)执行傅里叶变换，得到频谱GI(f)；
步骤五、控制分析系统(9)依据装置参数设定分析参数：装置摄入水体的光束直径为d，光束在水体中的传输距离为L，则分析参数设定为f1＝0.8BdL+200，其中B为人工设定的所需感知到的最低颗粒物密度，B的取值根据实际使用需求设定；
步骤六、控制分析系统(9)计算湍流场感知指标颗粒物感知指标其中F取值为信号I(t)采样频率的一半，df为对频谱GI(f)在频率坐标上进行积分的微元表示。
8.一种根据权利要求1所述装置的应用场景确定方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、光束经过水体的长度为L，光束直径为d，颗粒物密度为D个/m3，水体整体流速为V，则单位时间穿过光束的颗粒物数量N个/s，N≈DdLV，
起伏的中心频率为：fparticle≈N＝DdLV；
步骤2、设引起光束信号发生变化的湍流场随机透镜平均尺度为r，起伏的中心频率为：
颗粒物引起的光强起伏中心频率与湍流引起的光强起伏中心频率之比为：
步骤3、通常r≈d,Ld2＞10/D，运动颗粒物所引起的透射光信号起伏中心频率远高于湍流引起的透射光信号起伏中心频率，此时,颗粒物和湍流场的频段分开。
9.根据权利要求8所述的应用场景确定方法，其特征在于，还包括步骤四：计算透射光信号中的高频成分和低频成分。
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| CN110542631A (zh) * | 2019-10-14 | 2019-12-06 | 中国科学院烟台海岸带研究所 | 一种海洋水体粒度原位测量装置 |
| CN111765966A (zh) * | 2020-05-18 | 2020-10-13 | 西安理工大学 | 一种计算海洋湍流中高阶非均匀辛格蓝绿激光光强的方法 |
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| US4930352A (en) * | 1989-03-30 | 1990-06-05 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Reflective membrane optical scintillator |
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-
2019
- 2019-04-09 CN CN201910281974.4A patent/CN110057731A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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| CN111765966B (zh) * | 2020-05-18 | 2022-11-11 | 西安理工大学 | 一种计算海洋湍流中高阶非均匀辛格蓝绿激光光强的方法 |
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