CN114152775B - 一种基于光学多普勒的深海热液冷泉喷口流速测量仪器及该仪器的使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光学多普勒的深海热液/冷泉喷口流速测量仪器及该仪器的使用方法，涉及涉及深海流速测量技术领域。包括耐压封装壳体和耐压封装壳体左端设置有蓝宝石平板透镜，耐压封装壳体内部右端设置有激光光源、激光光源左端设置有干涉光路和信号处理模块，且激光光源为单频窄线宽绿光光纤激光器。本发明克服了现有技术的不足，可在海底热液/冷泉喷口前方一米左右处获取其准确流速，流速分辨率达到0.01m/s，通过优化系统设计集成为一体式探测装备，实现海底热液/冷泉喷口流速的准确测量，为物质输出通量、海底热液和海底冷泉成矿条件和成矿速率勘测等研究提供关键技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及深海流速测量技术领域，尤其涉及一种基于光学多普勒的深海热液/冷泉喷口流速测量仪器。
背景技术
深海领域目前流速测量主要采用机械转子式、电磁感应式和超声波多普勒流速测量手段。海底热液和冷泉作为深海独特的现象，是地球热通量和化学元素循环的重要因素。通过热液/冷泉喷口流速的测量，可为海底热液和冷泉输出的物质通量分析提供有效测量手段，为其成矿条件和成矿速率勘测提供重要参考。
深海热液/冷泉喷口流速测量方式多采用接触式流速计，如叶片式流速计、涡轮式流速计、电磁感应式等，但接触式测量方法受技术体制制约，易对测量流场造成干扰、热液区高温高压易对测量系统造成干扰和损害。非接触式流速测量主要有声学和光学两种方式，目前，声学多普勒流速测量仪虽已在海流测量领域得到应用，但声速对海水的温度变化较为敏感，因此，声学流速计在深海热液/冷泉喷口处较难取得准确流速数据。
光学多普勒测速技术起源于20世纪60年代，可以针对流场进行非接触式测量，并不易受到温度场的影响。但已有的激光多普勒测速仪在深海中应用还存在一些挑战，主要因为海水中光衰较大导致光束交点难以穿透热液/冷泉喷口，无法得到喷口内部流体流速数据，加之喷口内的颗粒物等对光束的干涉条纹干扰增大，导致信号展宽严重无法得到准确流速数值，另外海底的极端环境和深海仪器操作等方面的因素也限制了已有仪器在海洋领域的应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决深海流速测量中传统测量仪器易干扰被测流体，易受被测流体温度影响等问题，而提出的一种高精度、非接触式的激光流速探测装置，可在喷口前方一米左右处获取其准确流速，流速分辨率达到0.01m/s，通过优化系统设计集成为一体式探测装备，便于搭载潜水器(HOV/ROV)或者安装于海底工作站，实现海底热液/冷泉喷口流速的准确测量，为物质输出通量、海底热液和海底冷泉成矿条件和成矿速率勘测等研究提供关键技术支撑。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于光学多普勒的深海热液/冷泉喷口流速测量仪器，包括耐压封装壳体，所述耐压封装壳体内部呈环形腔体结构，耐压封装壳体左端设置有蓝宝石平板透镜，且耐压封装壳体内部右端设置有激光光源、激光光源左端设置有干涉光路和信号处理模块，所述干涉光路和信号处理模块进行连接，所述激光光源为单频窄线宽绿光光纤激光器，激光光源在环形腔结构的基础上，利用窄带光纤布拉格光栅和未抽运掺镱光纤饱和吸收效应引入的自写入光栅共同作用，抑制多纵模，获得单频窄线宽激光波长1064nm的输出。
优选的，所述激光光源中通过温度反馈控制系统保证输出激光的中心频率稳定度，利用全保偏掺镱光纤多级放大结构对1064nm波段窄线宽激光进行放大，通过泵浦结构与参数，实现低噪声放大，优化后的1064nm激光通过性能优异的周期性极化铌酸锂晶体，实现532nm的激光输出，且线宽小于10kHz，保证光束在海水中的低损耗和较高的探测精度。
优选的，所述激光器输出光偏振态为线偏振光。
优选的，所述干涉光路包括自右向左设置的准直器、偏振分束器、1/4波片、楔形镜和望远镜，以及偏振分束器下方设置的透镜。所述信号处理模块包括解调电路和倾角传感器，光束通过透镜聚焦入射至探测模块，经其转换的电信号输入至信号处理模块进行解调，在信号处理模块中，采集的拍频信号做FFT变换，经小波变换与过滤后由寻峰算法获得频移角度分量值，该角度分量值与倾角传感器所测得的仪器倾角的余弦值相除，转换为热液/冷泉的上升流速。
优选的，所述探测模块为铟镓砷光电探测器。
优选的，所述耐压封装壳体为由TC4型号的钛合金和蓝宝石平板透镜构造的一体式耐压舱，达到深海7000米级的标准，所述蓝宝石平板透镜周面使用丁晴橡胶进行密封设置，且蓝宝石玻璃靠近耐压封装壳体内部舱体一侧镀有532nm波长的增透膜，所述蓝宝石平板透镜与耐压封装壳体内部钛合金接触表面之间镶嵌黄铜垫片。
优选的，所述耐压封装壳体右端配备气体置换阀，同时耐压封装壳体右端设置有深海耐压电缆，所述深海耐压电缆对所述流速测量仪器于外部的潜水器之间进行通电连接和信号连接。
与现有技术相比，本发明提供了一种基于光学多普勒的深海热液/冷泉喷口流速测量仪器，具备以下有益效果：
1、通过使用单频窄线宽绿光光纤激光器，即532nm波长激光，激光的线宽小于10kHz保证光束在海水中最小光损，有效控制频谱的展宽从而保证流速的准确测量；
2、通过激光光源、干涉光路的设置可以将单光束以一定的角度入射至热液/冷泉口喷发的流体内部，再后向散射的信号光与激光器分束产生的本振光干涉产生多普勒信号，再与倾角传感器所测得的倾角的余弦相除，能够准确的转换为海底热液/冷泉的上升流速；
3、通过TC4型号的钛合金和蓝宝石平板透镜构成的耐压封装壳体为深海7000米级一体式耐压舱，且蓝宝石玻璃的周面使用丁晴橡胶(NBR)进行密封，一侧表面镀532nm波长的增透膜，并与钛合金接触表面之间镶嵌黄铜垫片，保证蓝宝石玻璃在深海环境中的透光性的和光学收发效率，同时在耐压舱的尾部配备气体置换阀，满足仪器在深海极端环境中使用，避免舱内因温差带来冷凝。
附图说明
图1为本发明装置立体结构示意图；
图2为本发明装置正视剖面系统结构示意图；
图3为本发明系统光路示意图。
图中：1激光光源；2、准直器；3、偏振分束器；4、1/4波片；5、楔形镜；6、望远镜；7、透镜；8、探测模块；9、解调电路；10、倾角传感器；11、耐压封装壳体；12、气体置换阀；13、深海耐压电缆；14、蓝宝石平板透镜；15、黄铜垫片。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例：
参照图1-3，一种基于光学多普勒的深海热液/冷泉喷口流速测量仪器，包括耐压封装壳体11，所述耐压封装壳体11内部呈环形腔体结构，耐压封装壳体11左端设置有蓝宝石平板透镜14，且耐压封装壳体11内部右端设置有激光光源1、激光光源1左端设置有干涉光路，所述干涉光路和信号处理模块信号连接，所述激光光源1为单频窄线宽绿光光纤激光器，激光光源1在环形腔结构的基础上，利用窄带光纤布拉格光栅和未抽运掺镱光纤饱和吸收效应引入的自写入光栅共同作用，抑制多纵模，获得单频窄线宽激光波长1064nm的输出。
优选的，所述激光光源1中通过温度反馈控制系统保证输出激光的中心频率稳定度，利用全保偏掺镱光纤多级放大结构对1064nm波段窄线宽激光进行放大，通过泵浦结构与参数，实现低噪声放大，优化后的1064nm激光通过性能优异的周期性极化铌酸锂晶体，实现532nm的激光输出，且线宽小于10kHz，保证光束在海水中的低损耗和较高的探测精度，且所述激光器输出光偏振态为线偏振光。
为了保证检测的准确性，优选的，所述干涉光路包括自右向左设置的准直器2、偏振分束器3、1/4波片4、楔形镜5和望远镜6，以及偏振分束器3下方设置的透镜7，所述信号处理模块包括解调电路9和倾角传感器10，光束通过透镜7聚焦入射至探测模块8，经其转换的电信号输入至信号处理模块进行解调，其中激光光束首先通过准直器2准直后经偏振分束器3后和1/4波片4将S偏振光转换成圆偏振光，经过楔形镜5后，通过望远镜6聚焦后以一定的角度入射至热液/冷泉口喷发的流体内，再由望远镜6将后向散射的信号光与楔形镜5后表面反射的本振光一同经过1/4波片4和偏振分束器3后一起经透镜7送入相干探测模块8，在信号处理模块中，采集的拍频信号做FFT变换，经小波变换与过滤后由寻峰算法获得频移角度分量值，该角度分量值与倾角传感器10所测得的仪器倾角的余弦相除，转换为热液/冷泉的上升流速。
为了保证探测的准确性，优选的，所述探测模块8为铟镓砷光电探测器。
为了保证蓝宝石玻璃在深海环境中的透光性的和光学收发效率。优选的，所述耐压封装壳体11为由TC4型号的钛合金和蓝宝石平板透镜14构造的一体式耐压舱，达到深海7000米级的标准，所述蓝宝石平板透镜14周面使用丁晴橡胶进行密封设置，且蓝宝石玻璃14靠近耐压封装壳体11内部舱体一侧镀有532nm波长的增透膜，所述蓝宝石平板透镜14与耐压封装壳体11内部钛合金接触表面之间镶嵌黄铜垫片15。
为了满足仪器在深海极端环境中使用，避免舱内因温差带来冷凝，优选的，所述耐压封装壳体11右端配备气体置换阀12，同时耐压封装壳体11右端设置有深海耐压电缆13，所述深海耐压电缆13对所述流速测量仪器于外部的潜水器之间进行通电连接和信号连接。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于光学多普勒的深海热液/冷泉喷口流速测量仪器，包括耐压封装壳体（11），其特征在于：所述耐压封装壳体（11）内部呈环形腔体结构，耐压封装壳体（11）左端设置有蓝宝石平板透镜（14），且耐压封装壳体（11）内部右端设置有激光光源（1）、激光光源（1）左端设置有干涉光路和信号处理模块，所述干涉光路和信号处理模块进行连接，所述激光光源（1）为单频窄线宽绿光光纤激光器；
所述激光光源（1）中设置有温度反馈控制系统、全保偏掺镱光纤多级放大结构、泵浦结构和周期性极化铌酸锂晶体来实现532nm的激光输出，且线宽小于10kHz；
所述干涉光路包括自右向左设置的准直器（2）、偏振分束器（3）、1/4波片（4）、楔形镜（5）和望远镜（6），以及偏振分束器（3）下方设置的透镜（7），所述信号处理模块包括解调电路（9）和倾角传感器（10），光束通过透镜（7）聚焦入射至探测模块（8），经其转换的电信号输入至信号处理模块进行解调；其中激光光束首先通过准直器（2）准直后经偏振分束器（3）后和1/4波片（4）将S偏振光转换成圆偏振光，经过楔形镜（5）后，通过望远镜（6）聚焦后以一定的角度入射至热液/冷泉口喷发的流体内，再由望远镜（6）将后向散射的信号光与楔形镜（5）后表面反射的本振光一同经过1/4波片（4）和偏振分束器（3）后一起经透镜（7）送入相干探测模块（8），在信号处理模块中，采集的拍频信号做FFT变换，经小波变换与过滤后由寻峰算法获得频移角度分量值，该角度分量值与倾角传感器（10）所测得的仪器倾角的余弦相除，转换为热液/冷泉的上升流速。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学多普勒的深海热液/冷泉喷口流速测量仪器，其特征在于：所述激光器输出光偏振态为线偏振光。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学多普勒的深海热液/冷泉喷口流速测量仪器，其特征在于：所述探测模块（8）为铟镓砷光电探测器。
4.根据权利要求1所述的一种基于光学多普勒的深海热液/冷泉喷口流速测量仪器，其特征在于：所述耐压封装壳体（11）为由TC4型号的钛合金和蓝宝石平板透镜（14）构造的一体式耐压舱，所述蓝宝石平板透镜（14）周面使用丁晴橡胶进行密封设置，且蓝宝石平板透镜（14）靠近耐压封装壳体（11）内部舱体一侧镀有532nm波长的增透膜，所述蓝宝石平板透镜（14）与耐压封装壳体（11）内部钛合金接触表面之间镶嵌黄铜垫片（15）。
5.根据权利要求4所述的一种基于光学多普勒的深海热液/冷泉喷口流速测量仪器，其特征在于：所述耐压封装壳体（11）右端配备气体置换阀（12），同时耐压封装壳体（11）右端设置有深海耐压电缆（13），所述深海耐压电缆（13）对所述流速测量仪器与外部的潜水器之间进行通电连接和信号连接。
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