[发明专利]一种海水盐度的在线检测方法及其装置

摘要

本发明提供了海水盐度的在线检测方法及其装置，用扫频同步信号控制扫频激光光源，使其所输出调频光波的波长是一个周期性的锯齿波信号，将该调频光波分成两路，分别送至海水中的折射率探头和温度探头；该折射率探头为干涉仪结构，其返回的干涉光强信号的频率值与海水折射率相关，通过对该干涉光强信号做离散傅里叶变换，计算出海水折射率；该温度探头内置光纤Bragg光栅，其反射谱Bragg波长与海水温度相关，对上述扫频同步信号和光纤Bragg光栅反射光强信号进行同步的离散抽样，按照光栅温度传感解调算法，计算出海水温度值；根据所得的折射率、温度值及调频光波的平均波长，通过求解经验方程，得到被测海水的盐度值，从而实现海水盐度的在线检测。

主权项

一种海水盐度在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：控制扫频同步信号源，使其输出的扫频同步信号V(t)是扫频周期为T的锯齿波电压信号，其具体形式如下：V(t)=V0+2(VP-V0)T(t-nT)nT≤t≤nT+T2VP+2(VP-V0)T(nT+T2-t)nT+T2≤t≤nT+T]]>其中，t为时间变量，n为非负整数，n＝0 1 2,......，V0为V(t)在每个扫频周期T的起始或终止时刻，即t＝nT或t＝(n+1)T对应的电压值，而VP为V(t)在每个扫频周期的中间时刻，即对应的电压值，且V0≥0，VP＞V0；步骤2：在所述的扫频同步信号源的作用下，扫频激光光源所输出的调频光波，其波长λ(t)随扫频同步信号V(t)而线性变化，波长λ(t)也是一个扫频周期为T的锯齿波信号，具体形式如下：λ(t)=λ0+2ΔλT(t-nT)nT≤t≤nT+T2λ0+2ΔλT(nT+T-t)nT+T2≤t≤(n+1)T]]>其中，λ0为波长λ(t)在每个扫频周期T的起始或终止时刻，即t＝nT或t＝(n+1)T对应的波长值，且λ0为扫频过程中的最小波长，Δλ＞0，Δλ为波长的扫频变化范围，而λ0+Δλ为λ(t)在每个扫频周期的中间时刻，即对应的波长值，且λ0+Δλ为扫频过程中的最大波长；步骤3：扫频激光光源输出的调频光波被光波导器件分成两路光，分别进入放置在被测海水中的折射率检测探头和温度检测探头，该折射率检测探头为干涉仪结构，干涉仪的传感臂主要由被测海水样本与第一反射镜构成，干涉仪的参考臂主要由已知折射率的参考介质与第二反射镜构成，且传感臂与参考臂的长度相等，二者均为l，进入折射率检测探头的光，在干涉仪的作用下，形成传感光和参考光，二者因干涉效应，产生干涉光，该干涉光由折射率检测探头返回；所述的温度检测探头内置光纤Bragg光栅温度传感器，进入温度检测探头的调频光波，在该光纤Bragg光栅温度传感器的作用下，形成反射光及反射光谱，因该反射光谱的Bragg波长与海水温度值相关，将该反射光称为温度反射光；步骤4：采用光电探测器，测量上述干涉光强度信号I(t)和温度反射光强度信号G(t)，将整个测量时间，分成若干个长度相等的测量时间段，该时间段长度取为2个扫频周期，即为2T，在每个时间段的第一个扫频周期T内进行干涉光强度信号I(t)的测量，第二个扫频周期T内进行温度反射光强度信号G(t)的测量；步骤5：先令n＝0，设置当前时间段的起始时刻为t＝nT；步骤6：从t＝nT时刻开始，用A/D转换器，对当前时间段第一个扫频周期T内的干涉光强度信号I(t)信号，以采样周期为T1，进行离散抽样，得到第一个扫频周期T内，即t＝nT至t＝(n+1)T时间的抽样信号序列I(m)，该序列的长度为L1，m为序列序号且是非负整数，m＝0 1 2......L1‑1，将I(m)保存在信号处理单元中；步骤7：从t＝(n+1)T开始，用A/D转换器，对当前时间段第二个扫频周期T内的扫频同步信号V(t)和温度反射光强度信号G(t)，以采样周期为T2，进行离散抽样，得到第二个扫频周期T内，即t＝(n+1)T至t＝(n+2)T时间的扫频同步信号序列V(h)、温度反射光强信号序列G(h)，序列V(h)和G(h)的长度均为L2，h为序列序号且为非负整数，h＝0 1 2......L2‑1，将V(h)和G(h)保存在信号处理单元中；采样周期T2为：步骤8：信号处理单元对当前时间段第一个扫频周期T内的干涉光强度抽样信号序列I(m)，做快速傅立叶变化FFT，得到干涉光强度信号I(t)在该时间内的频谱分布，由该频谱计算出以上时间内干涉光强度信号I(t)交流分量IAC(t)的频率值ωs；步骤9：根据干涉光强度交流分量IAC(t)的频率值ωs与海水折射率nS之间的关系，按下式计算出当前时间段第一个扫频周期T内，即t＝nT至t＝(n+1)T内的被测海水样本折射率nS：nS=nR+ωsTλ028πΔλl]]>其中，l为折射率检测探头传感臂和参考臂的长度，nR为该探头参考介质的已知折射率；步骤10：利用当前时间段第二个扫频周期T内的扫频同步信号序列V(h)和温度反射光强度信号序列G(h)，按照光纤Bragg光栅温度传感解调算法，计算得到第二个扫频周期T内，即t＝(n+1)T至t＝(n+2)T内的被测海水温度值TS；其中的光纤Bragg光栅温度传感解调算法，包括以下步骤：第一：由温度反射光强度信号序列G(h)，找到温度反射光强的最大值G(h_M)及所对应的序号h_M；第二：由以上温度反射光强的最大值G(h_M)所对应的序号h_M，找到位于该时刻的扫频同步信号电压值V(h_M)；第三：由序号h_M所对应的扫频同步信号电压值V(h_M)，找到温度反射光强的最大值G(h_M)所对应的光纤光栅温度传感器的Bragg波长；第四：根据光纤Bragg光栅温度传感器的特性参数，由以上得到的温度反射光强最大值G(h_M)所对应的Bragg波长，计算出当前的海水温度值TS步骤11：由于海水的折射率nS和温度TS的变化较为缓慢，可忽略海水的折射率nS和温度TS在每个测量时间段内的变化，所述每个测量时间段为两个扫频周期，用该时间段的第一个扫频周期T，即t＝nT至t＝(n+1)T内所得的海水样本的折射率nS，近似为整个时间段，即t＝nT至t＝(n+2)T内的海水样本的折射率nS，同理，用该时间段的第二个扫频周期T，即t＝(n+1)T至t＝(n+2)T内所得的海水的温度值TS，近似为整个时间段，即t＝nT至t＝(n+2)T内的海水的温度值TS；步骤12：根据以上得到的当前时间段的海水折射率nS、温度值TS及扫频激光光源输出光波的平均波长求解以下经验方程式：nS=n0+(n1+n2TS+n3TS2)S+n4TS2+n5+n6S+n7TSλ‾+n8λ‾2+n9λ‾3]]>计算出当前时间段，即t＝nT至t＝(n+2)T之间的海水盐度值S，其中，各系数为，n0＝1.31405，n1＝1.779×10‑4，n2＝‑1.05×10‑6，n3＝1.6×10‑8，n4＝‑2.02×10‑6，n5＝15.868，n6＝0.01155，n7＝‑0.00423，n8＝‑4382，n9＝1.1455×106；步骤13：令n＝n+2，对时间段的起始时刻更新，指向下一时间段；步骤14：重复步骤6‑13，如此循环进行，测量在起始时刻t＝0之后的任意时间段，即t＝nT至t＝(n+2)T内的海水盐度值S，实现海水盐度的实时检测，其中，n＝0 1 2,......。