[发明专利]基于双碘分子透过率比值测量的布里渊频移边缘检测装置

说明书

一种基于双碘分子透过率比值测量的布里渊频移边缘检测装置，包括激光器、光学接收系统、窄带滤光片、分光片、两个碘分子边缘滤波器、两个探测器和比值鉴频系统。基本原理是利用两个碘分子滤波器在不同压强或长度下吸收谱线的比值来检测532nm波长激光在海水中的布里渊散射信号频移，根据布里渊频移反演得到海水温度信息。两个滤波器组成的布里渊频移检测系统采用两个滤波器双边缘线的透过率比值作为鉴频器，通过透过率比值测量实现布里渊频移测量。中心吸收线有效吸收了弹性散射信号，消除了弹性散射强信号幅度变化对透过率测量的影响，提升了测量系统的抗干扰能力，简化了布里渊频移检测的系统结构。

技术领域

本发明涉及高光谱分辨率激光雷达，特别是一种基于双碘分子滤波器边缘比值检测布里渊频移装置。海水中布里渊散是一种非弹性散射。当激光入射水中与声波相遇时，多普勒效应会使散射光发生频移，表现为小于和大于入射光中心频率的斯托克斯光与反斯托克斯光，受海水温度变化影响的布里渊散射频移一般为7到8GHz。海洋中发生的所有现象几乎都与海水温度相关，因此海水温度的快速、精准、大范围测量是海洋监测的重要内容。基于高光谱分辨率鉴频器的高光谱分辨率海洋激光雷达(High-Spectral-resolutionlidar，HSRL)在水下对布里渊散射频移进行探测，就可以获得水中声速信息并反演出水体温度(忽略水体盐度和折射率的微小变化)^[1]。该装置通过碘分子滤波器抑制海水中颗粒物散射产生的米散射光的同时利用双碘分子滤波器的透过率比值对布里渊散射光进行边缘检测便可以反演出海水温度。该装置使用简单的光路设计，对入射光全角度吸收，性能稳定，调节简单，可有效提高海水测温精度。该装置可以用于测量海水中的声速，海水中的温度等，可作为海洋环境、海洋物理等海洋相关学科的研究基础。

背景技术

高光谱分辨率鉴频器是HSRL中的关键器件，目前主流的高光谱分辨率鉴频器主要有迈克尔逊干涉仪、法布里珀罗标准具和分子吸收池滤波器等。

基于视场展宽的迈克尔逊干涉仪(Field-widened Michelson interferometer,FWMI)采用混合-分子双通道接收信号，利用FWMI滤除颗粒信号，透过分子信号。FWMI本质上还是一种迈克尔逊干涉仪(MI)，通过选择合适的玻璃材料和长度匹配来使随着入射角的增大而变化的光程差比传统MI更缓慢，同时确保温度变化时一定的稳定性，此即视场展宽和热补偿^[1]。虽然视场有一定展宽，但是鉴频锐度较低，边缘线透过率随频率变化幅度缓慢，不能够灵敏地探测频移而导致检测精度较低。

法布里珀罗光谱仪测量光谱精度很高，可用来测量布里渊散射的全谱。虽然保证了吸收峰边缘线的陡峭变化，但采用的光谱扫描方式测量周期长，对入射光平行度要求较高，光学接收视场窄，布里渊散射信号的接收效率低，无法用于实际的现场测量工作中。

目前效果较好的是基于分子滤波器边缘探测的HSRL系统，采用倍频波长为532nm的Nd：YAG脉冲激光器，使雷达的回波信号依次通过溴分子滤波器和碘分子滤波器。非弹性散射光与溴的吸收谱线所吻合，而信号光的布里渊频移恰好位于有着对称陡峭边缘吸收线的碘分子吸收谱线处。被测光微小频率变化就可导致经过滤波器后信号光幅度的显著变化，便于精确测量频移^[2]。但是实际应用中溴的吸收率很低，不足以吸收掉大部分中心频率处的激光，弹性散射信号光会对测量产生较大干扰，降低了测量精度。

海洋监测中需要大视场角的接收设备，且需要高锐度、快速精准地获取海水温度信息。因此上述技术都有各自的缺陷，无法满足快速、精准、大范围测量海水温度的需求。

[1]刘东,周雨迪,朱小磊,等.大气海洋高光谱分辨率激光雷达鉴频特性研究[J].大气与环境光学学报,2020,15(1):48-54

[2]林宏,董天临,马泳,等.基于边缘探测技术的布里渊散射测量误差分析[J].激光技,2008,32(1):30-36

发明内容