[发明专利]基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知方法及装置

说明书

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。

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。