CN114485988B - 一种基于拉曼光谱水下温度遥测系统 - Google Patents

一种基于拉曼光谱水下温度遥测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于拉曼光谱水下温度遥测系统，激光发射部件，用于产生激光，并将激光分为本振光和探测光，随后将探测光聚焦到指定深度的水域；激光接收部件，用于获取待测水域的瑞利布里渊散射的散射光谱；光电转换部件，用于将瑞利布里渊散射的散射光谱转换为光谱电信号；滤波部件，用于基于频数分布原理拉曼光谱信号进行滤波；温度分析计算部件，用于对所述光谱电信号中谱线信息进行线形函数拟合，得到对应的谱线信息参数，以计算所述后向散射光的散射区域内的海水浓度、海水温度和海水压力。

Description

一种基于拉曼光谱水下温度遥测系统
技术领域
本发明属于水下温度遥感领域，尤其涉及一种基于拉曼光谱水下温度遥测系统。
背景技术
布里渊散射是由于介质的密度波动引起的光的非弹性散射现象。这种介质密度波动也会造成光子的频率上的变化，体现在频谱上则是相对于入射光子的频率偏移。对于大量同频率光子以同一方向入射介质时，散射光不但会发生布里渊频移，并且还会因为与介质的原子或分子相互作用而产生展宽效应，最终其在频谱体现为相对于激光中心频率发生了偏移的布里渊散射峰，通过布里渊散射峰可以得到海水温度。
布里渊散射是一种光子与介质相互作用的非弹性散射，当布里渊散射发生时，光子通过碰撞会吞并一个声子增加自身能量，或者损耗自身能量进而产生一个声子。这种碰撞产生的声光能量交换会引起散射光频率的改变。在频谱上，这种光频率的变化体现为布里渊散射峰分为斯托克斯峰和反斯托克斯峰，其位置对称的分布在激光中心频率的两侧，并相对于激光中心频率发生了一定的偏移。该偏移量被命名为布里渊频移。布里渊散射的这种频谱分布与声学声子本身的能量有关，能够与介质粒子自由程等联系起来。当布里渊散射发生时，与光子发生相互作用的并非介质粒子，而是介质的密度波动，这种介质的密度波动与介质的物理属性，如温度等都有关系。因而，布里渊散射谱能够反映介质的物理特性，如声速，温度等。而作为谱特征参数的布里渊频移由于与介质的物理特性有联系而逐渐被人们用于研究和测量介质的物理特性，例如，基于激光的布里渊散射被广泛地应用在分布式温度光纤传感器、海洋温度遥感等领域，用于对环境物理参量进行测量。
在海洋温度遥感应用中，基于布里渊散射的激光雷达系统采用的布里渊散射光谱测量技术主要有以下2类：边缘探测技术和F-P法布里-珀罗(Fabry-Pérot)扫描干涉仪技术，其中，边缘探测技术的成本较高，而F-P扫描干涉仪的扫描时间较长，这两种技术在实际应用中都受到了限制。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于拉曼光谱水下温度遥测系统，该系统包括：
激光发射部件，用于产生激光，并将激光分为本振光和探测光，随后将探测光聚焦到指定深度的水域；
激光接收部件，用于获取待测水域的瑞利布里渊散射的散射光谱；光电转换部件，用于将瑞利布里渊散射的散射光谱转换为光谱电信号；滤波部件，用于基于频数分布原理拉曼光谱信号进行滤波；
温度分析计算部件，用于对所述光谱电信号中谱线信息进行线形函数拟合，得到对应的谱线信息参数，以计算后向散射光的散射区域内的海水浓度、海水温度和海水压力,所述后向散射光为后向瑞利布里渊散射光；
其中，通过以下方式，计算得到海水温度：
Figure GDA0004051592630000031
其中，T为海水温度，A1、A2分别是两个谱线信息的积分吸光度，E″1、E″2分别为两个谱线的低跃迁能级的能量，S1(T0)、S2(T0)分别是两个谱线在参考温度T0时的谱线线强，kB为玻尔兹曼常数，c为真空中光速；
首先，通过以下公式，计算得到积分吸光度：
Figure GDA0004051592630000032
其中，A(v)表示海水分子的积分吸光度，It(v)表示出射光强度，I0(v)表示入射光强度，α(v)表示海水分子吸收系数，P表示海水系统总压强，C表示测量路径上海水平均浓度，S(T)表示海水分子吸收线线强，L表示测量路径的光程长度，φ(v)为吸收线线形函数，该函数为归一化函数，其函数积分为1；
在计算海水浓度时，根据积分吸光度、海水压力、测量光程长度、吸收线线强，可计算得到海水浓度；
在计算海水温度时，由于热力学平衡态下，分子能级的粒子数布局满足玻尔兹曼分布，吸收光谱的线强与对应能级跃迁的粒子数目以及跃迁概率有关，就特定谱线信息而言，其光谱线强的大小只与温度有关；因此利用同一海水分子的两个谱线信息，就可以在一定温度范围内反映所处环境的温度；由于吸收光谱的积分吸光度与压力、谱线信息的线强、物质的摩尔浓度和光程长度密切相关，两条谱线信息的积分吸光度在同一环境中测得，并且认为物质的摩尔浓度，压力，温度和光程长度相同，则两个吸收峰的积分吸光度之比可以简化为线强之比，即：
Figure GDA0004051592630000041
其中，R为两个吸收峰的积分吸光度之比，A1、A2分别是两个吸收峰的积分吸光度，E″1、E″2分别为两个谱线的低跃迁能级的能量，S1(T0)、S2(T0)分别是两个谱线在参考温度T0时的谱线线强，kB为玻尔兹曼常数，c为真空中光速；
在计算海水压力时，根据测量得到的海水的吸光度和谱线的洛伦兹展宽，计算海水压力，具体通过以下公式实现：
Figure GDA0004051592630000042
Figure GDA0004051592630000051
其中，Δvc表示洛伦兹线宽，A表示海水的积分吸光度。
更进一步地，所述滤波部件，具体包括：采集单元、分区单元、分组单元和计算单元。
更进一步地，所述采集单元，用于连续采集多组拉曼光谱数据I1(λ)、I2(λ)……，分别求得各组光谱的峰值强度I imax，把连续N个I imax值看成一个队列，存入数组Ix。
更进一步地，所述分区单元，用于将数组Ix划分为M个区间，根据数组Ix中数据的最大值Ixmax和最小值I xmi n来确定分区间距ΔIx。更进一步地，所述分组单元，用于按照分区对数组Ix中的每个元素进行分组，若Ix(i)属于指定第j个区间，则函数γj[Ix(i)]值为1，否则函数γj[I x(i)]值为0。
更进一步地，所述计算单元，用于根据所述频数分布统计结果求出频数最大值Fmax所处的区间编号K，并求得该区间对应的中间值Ixm(K)，作为第N+1组拉曼光谱筛选的参照值。
更进一步地，所述计算单元，还用于设定相邻两组拉曼光谱强度波动允许的最大偏差值为A，若第N+1组拉曼光谱数据的峰值强度满足Ixm(K)-A＜I(N+1)max＜Ixm(K)+A，则认为这一组拉曼光谱有效，否则认为这一组拉曼光谱无效。
本发明的技术方案能够快速且高精度地获取布里渊频移以及水下垂直温度分布，具有成本低、测量简便、实时性好、抗噪性好。
本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
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是基于激光散射的海水温度遥感系统示意图；
图2是计算海水浓度、海水温度和海水压力流程图。
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。
如图1所示，一种基于拉曼光谱水下温度遥测系统，该系统包括：
激光发射部件，用于产生激光，并将激光分为本振光和探测光，随后将探测光聚焦到指定深度的水域。
激光光源作为光学能量的提供设备，在整套测量系统中占有非常重要的地位。对于海洋遥感来说，由于激光雷达属于主动式遥感设备，激光波长对于整套激光雷达的性能有非常重要的作用，因为海水对于不同波段的光具有不同的吸收率。选择合适波长的激光器作为光源，不但能够有效地降低激光所需功率和成本，还能有效地提高激光对海水的穿透性，增加遥感深度。在海水的光学谱线信息上，480nm到580nm的蓝绿光波段存在一个透过窗口，海水对该波长范围内的光吸收率最低。激光波长如果选择在这一波段，其衰减系数将会小于0.01，而其衰减长度也能达到100米以上。为满足探测深度需求，本测量系统优选采用中心波长为532nm的脉冲激光器，与连激光相比，脉冲激光有更大的能量，可以穿透更深的海水。另外此脉冲激光器的单脉冲能量为650mJ，脉冲重复频率为10Hz，最小脉宽约为2ns。
由激光器发出的激光经聚焦系统汇聚在海水的监测点,之后海面反射回散射光,散射光包含了入射激光、与入射激光同频率的米散射光、瑞利散射光和入射激光有频移的布里渊散射光，以及与入射激光有频移的拉曼散射光。
激光接收部件，用于获取待测水域的瑞利布里渊散射的散射光谱。
向水下打出一道激光，并接收后向瑞利布里渊散射光，后向瑞利布里渊散射光经过F-P标准具形成干涉环，经由聚焦透镜聚焦后，在ICCD上成像，通过I CCD获得多组等信噪比的散射光谱。采用F-P标准具结合ICCD的散射光谱图采集方法，可以实时获取水下布里渊散射信号，具有良好的实时性。
光电转换部件，用于将瑞利布里渊散射的散射光谱转换为光谱电信号。
光电转换部件是激光接收的关键器件之一，根据光外差探测技术，如果本振光含有散粒噪声，则输出的二维光谱电信号信噪比降低，为了克服本振光散粒噪声的影响，通常采用平衡式外差技术，即本测量系统所采用的平衡探测器。平衡光电探测器内置两路通道，使用两个特性完全接近的光电二极管分别进行光电转换，后向瑞利布里渊散射光与本振光混频后输出的光信号分别进入该两路通道，其中一路加入延迟线，或使用马赫曾德干涉仪，调整一路的相位反偏，后端使用差分放大器，放大差模信号，抑制共模信号。将两路通道的输出信号合并后，噪声完全相抵，只有二者的差别信号被大幅度放大输出，因此具有良好的光电转换放大特性。
通过像增强器增强后的二维拉曼光谱经成像透镜在面阵CCD光敏面上成像，面阵CCD不同列像素对应记录不同波长散射光的光强，将其转化成二维电信号，经模数转换后输入信息处理终端进行数据处理生成光谱图，基于双波段面积比的水温反演方法与频数分布原理的滤波方法得到待测水域的温度，通过频数分布原理的滤波方法，提高水下温度遥感系统的抗干扰性，改进海水温度的激光遥感测量精度，进一步提出了基于频数分布原理的滤波方法，有效排除了瞬态噪声信号的干扰，提高了实时海水测温精度。
温度分析计算部件，用于对所述光谱电信号中谱线信息进行线形函数拟合，得到对应的谱线信息参数，以计算所述后向散射光的散射区域内的海水浓度、海水温度和海水压力。
分子吸收具有选择性，只有当入射光波数(或波长)与海水分子的某个跃迁共振时才发生吸收。海水分子的吸收遵循朗伯比尔定律，海水吸收光谱取决于分子结构、对应跃迁能级、所处环境条件，受所处环境条件影响而呈现不同的线形。在低压环境或高温环境中，海水谱线信息增宽的一个主要因素是多普勒展宽，该展宽机制源于海水分子的热运动。分子热运动规律遵循麦克斯韦-玻尔兹曼统计分布，温度越高分子运动越剧烈，多普勒展宽效应增强，可通过高斯函数描述。海水分子间碰撞会引起分子谱线信息增宽，可通过洛伦兹函数描述。在很多情况下，会同时存在多普勒展宽和碰撞展宽，海水谱线展宽由这二者共同决定。因此，可通过高斯函数和洛伦兹函数的卷积，得到福伊特函数Voigt描述的海水谱线展宽的线形。具体如下：
Figure GDA0004051592630000091
其中，ΦD表示通过高斯函数描述的谱线展宽，ΦL表示通过洛伦兹函数描述的碰撞展宽，u表示高斯线形的波数，v表示福伊特线形的波数，v0表示高斯线形的中心波数，av和w为无量纲数值，分别表示为：
Figure GDA0004051592630000092
根据谱线信息计算后向散射光的散射区域内的海水浓度、海水温度和海水压力，具体通过以下方式，计算得到海水温度：
Figure GDA0004051592630000093
其中，T为海水温度，A1、A2分别是两个谱线信息的积分吸光度，E″1、E″2分别为两个谱线的低跃迁能级的能量，S1(T0)、S2(T0)分别是两个谱线在参考温度T0时的谱线线强，kB为玻尔兹曼常数，c为真空中光速。
首先，通过以下公式，计算得到积分吸光度：
Figure GDA0004051592630000101
其中，A(v)表示海水分子的积分吸光度，It(v)表示出射光强度，I0(v)表示入射光强度，α(v)表示海水分子吸收系数，P表示海水系统总压强，C表示测量路径上海水平均浓度，S(T)表示海水分子吸收线线强，L表示测量路径的光程长度，φ(v)为吸收线线形函数，该函数为归一化函数，其函数积分为1。
在计算海水浓度时，根据积分吸光度、海水压力、测量光程长度、吸收线线强，可计算得到海水浓度。
在计算海水温度时，由于热力学平衡态下，分子能级的粒子数布局满足玻尔兹曼分布，吸收光谱的线强与对应能级跃迁的粒子数目以及跃迁概率有关，就特定谱线信息而言，其光谱线强的大小只与温度有关。因此利用同一海水分子的两个谱线信息，就可以在一定温度范围内反映所处环境的温度。由于吸收光谱的积分吸光度与压力、谱线信息的线强、物质的摩尔浓度和光程长度密切相关，两条谱线信息的积分吸光度在同一环境中测得，并且认为物质的摩尔浓度，压力，温度和光程长度相同，则两个吸收峰的积分吸光度之比可以简化为线强之比，即：
Figure GDA0004051592630000111
其中，A1、A2分别是两个谱线信息的积分吸光度，E″1、E″2分别为两个谱线的低跃迁能级的能量，S1(T0)、S2(T0)分别是两个谱线在参考温度T0时的谱线线强，kB为玻尔兹曼常数，c为真空中光速。在实践中，参考温度T0时的谱线线强S(T0)可以通过光谱数据库(H ITRAN或H I TEMP)查询得到，或者由实验测量获得。
在计算海水压力时，根据测量得到的海水的吸光度和谱线的洛伦兹展宽，可以计算海水压力，具体通过以下公式实现：
Figure GDA0004051592630000112
Figure GDA0004051592630000113
其中，Δvc表示洛伦兹线宽，A表示海水的积分吸光度。
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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于拉曼光谱水下温度遥测系统，该系统包括：
激光发射部件，用于产生激光，并将激光分为本振光和探测光，随后将探测光聚焦到指定深度的水域；激光接收部件，用于获取待测水域的瑞利布里渊散射的散射光谱；
光电转换部件，用于将瑞利布里渊散射的散射光谱转换为光谱电信号；
滤波部件，用于基于频数分布原理拉曼光谱信号进行滤波；
温度分析计算部件，用于对所述光谱电信号中谱线信息进行线形函数拟合，得到对应的谱线信息参数，以计算后向散射光的散射区域内的海水浓度、海水温度和海水压力,所述后向散射光为后向瑞利布里渊散射光；
其中，通过以下方式，计算得到海水温度：
Figure FDA0004051592620000011
其中，T为海水温度，A1、A2分别是两个谱线信息的积分吸光度，E″1、E″2分别为两个谱线的低跃迁能级的能量，S1(T0)、S2(T0)分别是两个谱线在参考温度T0时的谱线线强，kB为玻尔兹曼常数，c为真空中光速；
首先，通过以下公式，计算得到积分吸光度：
Figure FDA0004051592620000012
其中，A(v)表示海水分子的积分吸光度，It(v)表示出射光强度，I0(v)表示入射光强度，α(v)表示海水分子吸收系数，P表示海水系统总压强，C表示测量路径上海水平均浓度，S(T)表示海水分子吸收线线强，L表示测量路径的光程长度，
Figure FDA0004051592620000013
为吸收线线形函数，该函数为归一化函数，其函数积分为1；
在计算海水浓度时，根据积分吸光度、海水压力、测量光程长度、吸收线线强，可计算得到海水浓度；在计算海水温度时，由于热力学平衡态下，分子能级的粒子数布局满足玻尔兹曼分布，吸收光谱的线强与对应能级跃迁的粒子数目以及跃迁概率有关，就特定谱线信息而言，其光谱线强的大小只与温度有关；因此利用同一海水分子的两个谱线信息，就可以在一定温度范围内反映所处环境的温度；由于吸收光谱的积分吸光度与压力、谱线信息的线强、物质的摩尔浓度和光程长度密切相关，两条谱线信息的积分吸光度在同一环境中测得，并且认为物质的摩尔浓度，压力，温度和光程长度相同，则两个吸收峰的积分吸光度之比可以简化为线强之比，即：
Figure FDA0004051592620000021
其中，R为两个吸收峰的积分吸光度之比，A1、A2分别是两个吸收峰的积分吸光度，E″1、E″2分别为两个谱线的低跃迁能级的能量，S1(T0)、S2(T0)分别是两个谱线在参考温度T0时的谱线线强，kB为玻尔兹曼常数，c为真空中光速；
在计算海水压力时，根据测量得到的海水的吸光度和谱线的洛伦兹展宽，计算海水压力，具体通过以下公式实现：
Figure FDA0004051592620000022
Figure FDA0004051592620000023
其中，Δvc表示洛伦兹线宽，A表示海水的积分吸光度。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述滤波部件，具体包括：采集单元、分区单元、分组单元和计算单元。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述采集单元，用于连续采集多组拉曼光谱数据I1(λ)、I2(λ)……，分别求得各组光谱的峰值强度Iimax，把连续N个Iimax值看成一个队列，存入数组Ix。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述分区单元，用于将数组Ix划分为M个区间，根据数组Ix中数据的最大值Ixmax和最小值Ixmin来确定分区间距ΔIx。
5.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述分组单元，用于按照分区对数组Ix中的每个元素进行分组，若Ix(i)属于指定第j个区间，则函数γj[Ix(i)]值为1，否则函数γj[Ix(i)]值为0。
6.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述计算单元，用于根据所述频数分布统计结果求出频数最大值Fmax所处的区间编号K，并求得该区间对应的中间值Ixm(K)，作为第N+1组拉曼光谱筛选的参照值。
7.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述计算单元，还用于设定相邻两组拉曼光谱强度波动允许的最大偏差值为A，若第N+1组拉曼光谱数据的峰值强度满足Ixm(K)-A＜I(N+1)max＜Ixm(K)+A，则认为这一组拉曼光谱有效，否则认为这一组拉曼光谱无效。
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