CN113433342B - 一种基于激光致声的海洋流速探测系统及探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光致声的海洋流速探测系统及探测方法，该系统包括通过光纤连接的脉冲激光器、掺铒光纤放大器、耦合器和流速传感器；流速传感器包括壳体以及设置于壳体内的密封腔和姿态仪，壳体上设置透水孔，光纤端口位于密封腔内，密封腔内设置聚焦透镜一、聚焦透镜二和半透半反镜，半透半反镜与壳体底面呈45°角设置，密封腔底部以及侧壁分别开设透光孔一和透光孔二，壳体内壁正对透光孔一和透光孔二的位置处分别设置水听器一和水听器二；位于壳体内部、密封腔外部的光纤内刻写有测压光纤光栅和测温光纤光栅。本发明所公开的探测系统结构简单、探测效率高，可对探测结果进行压力、温度以及姿态的补偿，适合海流快速及长期原位测量。

Description

一种基于激光致声的海洋流速探测系统及探测方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种基于激光致声的海洋流速探测系统及探测方法。
背景技术
在复杂多变的海洋环境中，若能实现对海水流速的探测，将大幅提高各种传感器的稳定性和测量精度，但目前利用光学方法-激光致声的方法测量海洋中流速的研究还比较少。
专利CN 210222056 U中提出了一种海水流速测量装置，利用海水流速产生的力使扇叶转动，然后通过单片机等设备进行数据转换，间接测得海水的流速，但若海水的流速较小，难以达到扇叶转动的条件，就无法测得流速，且只能固定在某一点进行海水流速的测量，另外，该装置存在体积大、受电磁干扰等缺点。
专利CN 108037311 A中提出了一种基于声光效应的高精度海水流速测量装置，利用脉冲发生器激发超声，超声与参考光、测量光相继发生声光效应，通过测量参考光、测量光的频率从而获得海水流速，但该装置整体结构复杂，光路调整的难度较大，同时受供电限制，只适于测量近海或浅海的海水流速测量，且没有考虑温度、压力等对声速的影响。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于激光致声的海洋流速探测系统及探测方法，以达到结构简单、探测效率高，可对探测结果进行压力、温度以及姿态的补偿，适合海流快速及长期原位测量的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于激光致声的海洋流速探测系统，包括通过光纤连接的脉冲激光器、掺铒光纤放大器、耦合器和流速传感器；所述流速传感器包括壳体以及设置于壳体内的密封腔和姿态仪，所述壳体上设置透水孔，光纤端口位于密封腔内，所述密封腔内沿着光信号出射方向依次设置聚焦透镜一、聚焦透镜二和半透半反镜，所述半透半反镜与壳体底面呈45°角设置，所述密封腔底部以及侧壁分别开设透光孔一和透光孔二，所述壳体内壁正对透光孔一和透光孔二的位置处分别设置水听器一和水听器二；所述水听器一和水听器二以及姿态仪均连接计算机；位于壳体内部且位于密封腔外部的光纤内刻写有测压光纤光栅和测温光纤光栅，所述耦合器还通过光纤光栅解调仪连接计算机。
上述方案中，所述脉冲激光器的中心波长为1550nm，所述半透半反射镜的有效波长范围包含1550nm。
上述方案中，所述测压光纤光栅和测温光纤光栅的中心波长均与1550nm相差10nm以上，且测压光纤光栅和测温光纤光栅两者的中心波长相差10nm以上。
上述方案中，所述水听器一和透光孔一之间的距离与水听器二和透光孔二之间的距离相等。
上述方案中，所述光纤端口位于聚焦透镜一的焦点位置。
一种基于激光致声的海洋流速探测方法，采用上述的一种基于激光致声的海洋流速探测系统，包括如下步骤：
（1）脉冲激光器产生的光信号经光纤传输到掺铒光纤放大器中，经掺铒光纤放大器放大后的光信号沿光纤经过耦合器传输至光纤端口，从光纤端口出射的光信号通过聚焦透镜一变为平行光信号，再经聚焦透镜二会聚于半透半反镜，经半透半反镜透射的光信号通过透光孔一射入海水中，经半透半反镜反射的光信号通过透光孔二射入海水中；
（2）高能量的光信号使海水产生热膨胀，进而引起海水中声压变化产生声信号，声信号分别由水听器一和水听器二采集，转变为电信号，进入计算机；
（3）对声信号从透光孔一到水听器一以及从透光孔二到水听器二的传播时间作为研究对象，测试在不同温度及不同压力的静水内声信号的传播时间，结合传播距离计算声信号在这两个方向上传播的速度，将声信号在室温及常压下静水内的传播时间作为初始声速，分别对这两个方向上的声速建立关于温度和压力的函数关系式；
（4）海上测试时，将流速传感器投入海水中，通过测压光纤光栅和测温光纤光栅测得海水的压力和温度，结合初始声速，根据得到的函数关系式，计算不受海流影响时，声信号在这两个方向上传播的速度；
（5）利用水听器一和水听器二测得实际受海流影响时的声信号的传播时间，结合传播距离计算受海流影响时声信号在这两个方向上的传播速度，减去步骤（4）中计算得到的速度，即得到海流在这两个方向上的速度；
（6）通过姿态仪的角度校正，得到在地理坐标系中海流的速度。
通过上述技术方案，本发明提供的一种基于激光致声的海洋流速探测系统及探测方法具有如下有益效果：
1、本发明采用光纤耦合激光的方式，降低了激光在空气或液体中传输的损耗；另外，利用光纤传输激光可灵活改变光信号的路径、控制光信号的方向。
2、本发明采用1550nm的激光光源可降低激光在光纤内传输过程中的损耗。
3、本发明在进行流速测量时，通过与测压光纤光栅和测温光纤光栅串联对声速进行补偿，可有效提高对流速测量的准确度。
4、本发明利用掺铒光纤放大器提高光信号的强度，经聚焦透镜一和聚焦透镜二消除光信号经光纤出射后的损失。
5、本发明利用半透半反镜将光信号分成相互垂直的两束光，利用水听器一和水听器二测量光致声信号自透光孔至水听器探头的传播时间，可求得沿流速传感器垂直和水平方向的海水流速。
6、本发明在流速传感器重心位置，水平或竖直方向安装有姿态仪，可实时获取流速传感器与地理坐标系的偏转角度，通过姿态仪的角度矫正，可得到在地理坐标系中所测流速的方向及大小。
7、本发明采用光纤的方式传输光信号，可以探测更深的海域，延长了探测范围；而且本发明只需将流速传感器置于海水中，系统其余部分都位于水上，水下结构简单，控制更方便，操作更灵活。
8、本发明的测压光纤光栅和测温光纤光栅的中心波长均与脉冲激光器的中心波长1550nm相差10nm以上，且测压光纤光栅和测温光纤光栅两者的中心波长相差10nm以上，因此，测压光纤光栅及测温光纤光栅不会对脉冲激光器发射的激光信号产生影响。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种基于激光致声的海洋流速探测系统示意图；
图2为本发明实施例所公开的流速传感器内部结构示意图；
图3为光纤端面的光信号能量分布。
图中，1、脉冲激光器；2、掺铒光纤放大器；3、耦合器；4、流速传感器；5、壳体；6、密封腔；7、姿态仪；8、透水孔；9、光纤端口；10、聚焦透镜一；11、聚焦透镜二；12、半透半反镜；13、透光孔一；14、透光孔二；15、水听器一；16、水听器二；17、计算机；18、光纤光栅解调仪；19、测压光纤光栅；20、测温光纤光栅；21、光纤。
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。
本发明提供了一种基于激光致声的海洋流速探测系统，如图1所示，包括通过光纤连接的脉冲激光器1、掺铒光纤放大器2、耦合器3和流速传感器4。脉冲激光器1的中心波长为1550nm，掺铒光纤放大器2用于对脉冲激光器1发出的1550nm的光信号进行放大，并可防止后向传输光对光源造成干扰。
如图2所示，流速传感器4包括壳体5以及设置于壳体5内的密封腔6和姿态仪7，姿态仪7安装于壳体5的重心位置，用于测量流速传感器4自身的姿态数据。壳体5上设置透水孔8，海水可穿过透水孔8充满密封腔6之外的空间。
光纤端口9位于密封腔6内，密封腔6内沿着光信号出射方向依次设置聚焦透镜一10、聚焦透镜二11和半透半反镜12，光纤端口9位于聚焦透镜一10的焦点位置，脉冲激光器1发出的光信号经光纤传输到掺铒光纤放大器2中，经掺铒光纤放大器2放大后的光信号沿光纤经过耦合器3传输至光纤端口9，从光纤端口9出射的光信号会以一定的发散角向空气中传播，通过聚焦透镜一10变为平行光信号，再经聚焦透镜二11会聚于半透半反镜12。
半透半反镜12与壳体5底面呈45°角设置，半透半反镜12的有效波长范围包含1550nm，密封腔6底部以及侧壁分别开设透光孔一13和透光孔二14，壳体5内壁正对透光孔一13和透光孔二14的位置处分别设置水听器一15和水听器二16；水听器一15和水听器二16以及姿态仪7均连接计算机17；光信号经过半透半反镜12后，一部分直接通过透光孔一13射出，另一部分经过透光孔二14射出。如图3所示的高能量的光信号（图3中最高的波峰）使海水产生热膨胀，进而引起海水中声压变化产生声信号，声信号分别由水听器一15和水听器二16采集，转变为电信号，进入计算机17。
本实施例中，水听器一15和透光孔一13之间的距离与水听器二16和透光孔二14之间的距离相等，均设置为1cm。
位于壳体5内部且位于密封腔6外部的光纤内刻写有测压光纤光栅19和测温光纤光栅20，测压光纤光栅19和测温光纤光栅20的中心波长分别为1500nm、1525nm，耦合器3还通过光纤光栅解调仪18连接计算机17。光纤光栅解调仪18中光源出射的光（1460nm-1620nm）经耦合器3进入光纤21，到达测压光纤光栅19和测温光纤光栅20，反射光经耦合器3，再次进入光纤光栅解调仪18，进行信号解调，可以测得流速传感器4的壳体5内部的压力和温度。从图3中可以看出，从光纤光栅解调仪18出射的光信号（1460nm-1620nm）能量N远小于脉冲激光器1发射的光信号能量M，测压光纤光栅19和测温光纤光栅20对1500nm、1525nm附近的光信号进行反射，其余光信号经测压光纤19和测温光纤光栅20透射，经光纤端口9出射，由于测压光纤光栅19和测温光纤光栅20的中心波长分别与脉冲激光器的中心波长1550nm相差10nm以上，因此测压光纤光栅19及测温光纤光栅20不会对脉冲激光器1发射的激光信号产生影响。
一种基于激光致声的海洋流速探测方法，采用上述的一种基于激光致声的海洋流速探测系统，包括如下步骤：
（1）使用前，需将脉冲激光器1、掺铒光纤放大器2、耦合器3、光纤光栅解调仪18、计算机17置于实验台上，流速传感器4置于不同温度及不同压力静水内的同一位置并保持不动，用该系统对声信号在固定距离x=1cm内传播的时间进行测试。
（2）将室温及常压下静水内，声信号从透光孔一13到水听器一15的传播时间记为t10，声信号从透光孔二14到水听器二16的传播时间记为t20，结合传播距离x计算声信号在这两个方向上传播的速度，即初始声速v10=x/t10，v20=x/t20，然后以温度和压力为变量，测试在不同温度及不同压力的静水内声信号的传播时间，分别对这两个方向上的声速建立关于温度和压力的函数关系式：
v1=(AT+BP)*v10+C1
v2=(AT+BP)*v20+C2
其中，T为温度，P为压力，v1表示在温度为T，压力为P的静水中，声信号从透光孔一13到水听器一15的传播时间；v2表示在温度为T，压力为P的静水中，声信号从透光孔二14到水听器二16的传播时间；A代表温度系数，B代表压力系数，C1、C2为常数，可通过声速标定实验获得。
（3）海上测试时，将脉冲激光器1、掺铒光纤放大器2、光纤光栅解调仪18、计算机17置于固定平台或甲板上，流速传感器4沉入目标海域，通过水平安装在流速传感器4重心位置的姿态仪7，实时获取流速传感器4相对于地理坐标系的偏转角度。通过测压光纤光栅19和测温光纤光栅20测得海水的压力P和温度T，结合初始声速v10和v20，根据得到的函数关系式，计算不受海流影响时，声信号在这两个方向上传播的速度v11和v21；
（4）利用水听器一15和水听器二16测得实际受海流影响时的声信号的传播时间t12和t22，结合传播距离x计算受海流影响时声信号在这两个方向上的传播速度v12=x/t12，v22=x/t22，然后减去步骤（3）中计算得到的速度，即得到去除温度和压力影响后，海流在这两个方向上的速度v13= v12-v11，v23= v22-v21。
（5）通过姿态仪7的角度校正，得到在地理坐标系中海流的速度。
另外，流速传感器4可固定在水下机器人中，通过水下机器人的移动旋转，测量不同方向，不同地点的海水流速。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种基于激光致声的海洋流速探测方法，采用一种基于激光致声的海洋流速探测系统，其特征在于，该探测系统包括通过光纤连接的脉冲激光器、掺铒光纤放大器、耦合器和流速传感器；所述流速传感器包括壳体以及设置于壳体内的密封腔和姿态仪，所述壳体上设置透水孔，光纤端口位于密封腔内，所述密封腔内沿着光信号出射方向依次设置聚焦透镜一、聚焦透镜二和半透半反镜，所述半透半反镜与壳体底面呈45°角设置，所述密封腔底部以及侧壁分别开设透光孔一和透光孔二，所述壳体内壁正对透光孔一和透光孔二的位置处分别设置水听器一和水听器二；所述水听器一和水听器二以及姿态仪均连接计算机；位于壳体内部且位于密封腔外部的光纤内刻写有测压光纤光栅和测温光纤光栅，所述耦合器还通过光纤光栅解调仪连接计算机；
探测方法包括如下步骤：
（1）脉冲激光器产生的光信号经光纤传输到掺铒光纤放大器中，经掺铒光纤放大器放大后的光信号沿光纤经过耦合器传输至光纤端口，从光纤端口出射的光信号通过聚焦透镜一变为平行光信号，再经聚焦透镜二会聚于半透半反镜，经半透半反镜透射的光信号通过透光孔一射入海水中，经半透半反镜反射的光信号通过透光孔二射入海水中；
（2）高能量的光信号使海水产生热膨胀，进而引起海水中声压变化产生声信号，声信号分别由水听器一和水听器二采集，转变为电信号，进入计算机；
（3）对声信号从透光孔一到水听器一以及从透光孔二到水听器二的传播时间作为研究对象，测试在不同温度及不同压力的静水内声信号的传播时间，结合传播距离计算声信号在这两个方向上传播的速度，将声信号在室温及常压下静水内的传播时间作为初始声速，分别对这两个方向上的声速建立关于温度和压力的函数关系式；
（4）海上测试时，将流速传感器投入海水中，通过测压光纤光栅和测温光纤光栅测得海水的压力和温度，结合初始声速，根据得到的函数关系式，计算不受海流影响时，声信号在这两个方向上传播的速度；
（5）利用水听器一和水听器二测得实际受海流影响时的声信号的传播时间，结合传播距离计算受海流影响时声信号在这两个方向上的传播速度，减去步骤（4）中计算得到的速度，即得到海流在这两个方向上的速度；
（6）通过姿态仪的角度校正，得到在地理坐标系中海流的速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光致声的海洋流速探测方法，其特征在于，所述脉冲激光器的中心波长为1550nm，所述半透半反射镜的有效波长范围包含1550nm。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光致声的海洋流速探测方法，其特征在于，所述测压光纤光栅和测温光纤光栅的中心波长均与1550nm相差10nm以上，且测压光纤光栅和测温光纤光栅两者的中心波长相差10nm以上。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光致声的海洋流速探测方法，其特征在于，所述水听器一和透光孔一之间的距离与水听器二和透光孔二之间的距离相等。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光致声的海洋流速探测方法，其特征在于，所述光纤端口位于聚焦透镜一的焦点位置。
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