一种基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量方法，所述方法包括：搭建基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量光路，使精密位移平台持续运动从而改变干涉光路与第一反射光路的光程；采集示波器测量数据；依据光学频率梳A、B处的干涉条纹分别获取干涉光路的光程与测量光路和参考光路光程分别相等的时刻点t1与t2；计算t1与t2间连续光干涉条纹的数目，从而确定声波飞行距离；依据脉冲声光效应引起的光强突变计算声波飞行时间。本发明专利技术以光学频率梳干涉以及脉冲声光效应为基本原理对海水声速剖面进行检测，目的在于实现高精度、高稳定性的声速测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量方法
本专利技术涉及海水声速测量领域，尤其涉及一种基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量方法。
技术介绍
海水中的声速测量，一般主要包括两类方法，一类是通过测量超声波在固定距离内飞行时间或者测量超声波波长和频率的直接测量法；一类是通过测量海水温度、盐度、深度参数依据经验公式计算的间接测量方法。间接测量方法主要是依据已有的模型公式进行计算，但往往存在较大的误差。相比较而言，直接测量方法在原理上涉及参量较少(只包括时间和距离，或频率与波长)，测量精度较高。目前市面上常规的声速剖面仪主要是依据直接测量方法设计，即测量超声波在固定距离内的飞行时间从而获得海水声速值。但在时间参量的测量上，常规声速剖面仪声信号的发射与接收由于压电效应需要响应时间会产生一定的时间延迟，为了得到较高的声速测量精度，通常声波需要在已知的距离内往返飞行多次，即用接收到的反射回波去触发电路，再发射下一个脉冲，如此不断的循环下去，这样就导致了一个误差累计效应，且回波对发射信号存在干扰，不能保证时间测量的高精度。在距离参量的测量上，因超声探头嵌入距离参量中，保证超声波行进距离与标定距离严格一致较为困难，同样难以保证测量的准确性；市面上同时存在超声飞行距离已经标定好的声速剖面仪，但由于仪器使用环境较为复杂，标定距离很难一直保证精度。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量方法，本专利技术以光学频率梳干涉以及脉冲声光效应为基本原理对海水声速剖面进行检测，目的在于实现高精度、高稳定性的声速测量，详见下文描述：一种基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量方法，所述方法包括：1)采用第一分光镜将光学频率梳发出的飞秒激光分为垂直的两束光，之后用第二分光镜将经过第一分光镜的透射光分为垂直的第一束光、第二束光；第一束光通过第一反射镜后变为第一发射光，第一反射光经过第二反光镜后变为与之垂直的第二发射光；第一束光、第一发射光、第二发射光共同构成测量光路，第二束光构成参考光路；测量光路与参考光路在第三分光镜处进行合束，合束后变为第一合束光路；2)将由第一分光镜反射的光通过第四分光镜后，经固定在精密位移平台上的第四反射镜反射后按原路返回至第四分光镜进行反射；将第一合束光路经第三反射镜反射，反射后第一合束光路与干涉光路在第六分光镜处进行合束，形成第二合束光路；用第二光电探测器对第二合束光路进行探测，将光能转化为电能后在示波器上进行显示，获取飞行时间；3)调整超声探头的位置，确保超声垂直飞过第二束光、第一发射光；4)将HeNe激光器发出的连续光通过第五分光镜变为两束垂直的光，经第五分光镜的透射光经第五反射镜与固定在精密位移平台上的第四反射镜反射后形成第一反射光路按原路返回至第五分光镜；经第五分光镜的反射光经第七反射镜反射后形成第二反射光路按原路返回至第五分光镜，与第一反射光路进行合束，合束后形成第三合束光路；将第三合束光路经第六反射镜反射后由第二光电探测器进行探测，将光信号转换为电信号后同时显示在示波器上，获取飞行距离；5)根据获取的飞行时间与飞行距离，获取海水声速测量值。优选地，所述第二束光与第一发射光平行等高进入水槽中。进一步地，测量光路与参考光路合束完全，即测量光路与参考光路经过第三分光镜后光路完全重合。具体实现时，所述干涉光路与第一发射光、经第一分光镜后的透射光平行等高。优选地，所述干涉光路与第一合束光路合束完全，即干涉光路与第一合束光路经过第六分光镜后光路完全重合。其中，所述方法还包括：使精密位移平台持续运动从而改变干涉光路与第一反射光路的光程；采集示波器测量数据；依据光学频率梳A、B处的干涉条纹分别获取干涉光路的光程与测量光路和参考光路光程分别相等的时刻点t1与t2；计算t1与t2间连续光干涉条纹的数目，从而确定声波飞行距离；依据脉冲声光效应引起的光强突变计算声波飞行时间。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、本方法中超声飞行距离为实时测量，超声飞行距离与飞行时间一一对应，将解决海水声速剖面仪直接测量法中由于热胀冷缩等影响带来的飞行距离实际值与标定值存在误差的问题；2、本方法中的光电能的转换速率要远远高于机械能与电能的转换速率，即声光效应响应时间远小于压电效应响应时间，很好的避免压电效应时间延迟对飞行时间测量的影响；3、本方法解决了飞行时间测量精度有限的困难，保守估计可将海水声速测量精度提升一个数量级，实现高精度、高稳定性、以及快速的声速剖面测量；4、本方法同时也将在水文地质、反潜、电缆铺设和地质调查、采矿、地球物理探测、声学系统、声层析、水体微结构分析、水文水道测量、海洋调查勘察以及国防应用上发挥重要的直接或间接作用，为相关领域作业任务提供高精度数据保障。附图说明图1为光学频率梳干涉图；图2为声光效应引起的光强突变图；图3为连续光干涉现象图；图4为一种基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量方法的光路图；图5为一种基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量方法的流程图。附图中，各标号所代表的部件列表如下：1：光学频率梳(Menlosystemorange)；2：第一分光镜(ThorlabsBSW10R)；3：第二分光镜(ThorlabsBSW10R)；4：第一反射镜(Thorlabs,PF10-03-P01)；5：水槽；6：超声探头；7：测量光；8：参考光；9：第二反射镜(Thorlabs,PF10-03-P01)；10：第三分光镜(ThorlabsBSW10R)；11：第三反射镜(Thorlabs,PF10-03-P01)；12：第四分光镜(ThorlabsBSW10R)；13：第四反射镜(Thorlabs,PF10-03-P01)；14：精密位移平台(PIM-521.DD1)；15：第五反射镜(Thorlabs,PF10-03-P01)；16：第六反射镜(Thorlabs,PF10-03-P01)；17：第七反射镜(Thorlabs,PF10-03-P01)；；18：第五分光镜(ThorlabsBSW10R)；19：第一光电探测器(ThorlabsAPD430)；20：HeNe激光器(ThorlabsHRS015B)；21：第六分光镜(ThorlabsBSW10R)；22：第二光电探测器(ThorlabsAPD430A)；23：示波器(TektronixMDO3104)；24：干涉光路；25：第一合束光路；26：第二合束光路。3-1：经第一分光镜3后的反射光；3-2：经第一分光镜3后的透射光3-3：3-1经第一反射镜4后反射的光3-4：经第二分光镜9反射后的光具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。当精密位移平台运动时，会使得固定在精密位移平台上的第四反射镜反射的干涉光路光程不断改变，当干涉光路光程与参考光路光程和测量光路光程分别相等时，便会发生图1所示的实验现象。其中A、B处为光学频率梳干涉条纹，图1中用椭圆将A、B处干涉条纹圈住展开后分别如对应箭头指示的两子图所示，而后依据A、B计算干涉时间间隔。本专利技术实施例通过计算干涉时间点之间如图2所示的连续光干涉条纹的数目便可计算参考光路和测量光路的光程差。图2中实体为连续光干涉条纹，由于光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量方法，其特征在于，所述方法包括：1)采用第一分光镜将光学频率梳发出的飞秒激光分为垂直的两束光，之后用第二分光镜将经过第一分光镜的透射光分为垂直的第一束光、第二束光；第一束光通过第一反射镜后变为第一发射光，第一反射光经过第二反光镜后变为与之垂直的第二发射光；第一束光、第一发射光、第二发射光共同构成测量光路，第二束光构成参考光路；测量光路与参考光路在第三分光镜处进行合束，合束后变为第一合束光路；2)将由第一分光镜反射的光通过第四分光镜后，经固定在精密位移平台上的第四反射镜反射后按原路返回至第四分光镜进行反射；将第一合束光路经第三反射镜反射，反射后第一合束光路与干涉光路在第六分光镜处进行合束，形成第二合束光路；用第二光电探测器对第二合束光路进行探测，将光能转化为电能后在示波器上进行显示，获取飞行时间；3)调整超声探头的位置，确保超声垂直飞过第二束光、第一发射光；4)将HeNe激光器发出的连续光通过第五分光镜变为两束垂直的光，经第五分光镜的透射光经第五反射镜与固定在精密位移平台上的第四反射镜反射后形成第一反射光路按原路返回至第五分光镜；经第五分光镜的反射光经第七反射镜反射后形成第二反射光路按原路返回至第五分光镜，与第一反射光路进行合束，合束后形成第三合束光路；将第三合束光路经第六反射镜反射后由第二光电探测器进行探测，将光信号转换为电信号后同时显示在示波器上，获取飞行距离；5)根据获取的飞行时间与飞行距离，获取海水声速测量值。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量方法，其特征在于，所述方法包括：1)采用第一分光镜将光学频率梳发出的飞秒激光分为垂直的两束光，之后用第二分光镜将经过第一分光镜的透射光分为垂直的第一束光、第二束光；第一束光通过第一反射镜后变为第一发射光，第一反射光经过第二反光镜后变为与之垂直的第二发射光；第一束光、第一发射光、第二发射光共同构成测量光路，第二束光构成参考光路；测量光路与参考光路在第三分光镜处进行合束，合束后变为第一合束光路；2)将由第一分光镜反射的光通过第四分光镜后，经固定在精密位移平台上的第四反射镜反射后按原路返回至第四分光镜进行反射；将第一合束光路经第三反射镜反射，反射后第一合束光路与干涉光路在第六分光镜处进行合束，形成第二合束光路；用第二光电探测器对第二合束光路进行探测，将光能转化为电能后在示波器上进行显示，获取飞行时间；3)调整超声探头的位置，确保超声垂直飞过第二束光、第一发射光；4)将HeNe激光器发出的连续光通过第五分光镜变为两束垂直的光，经第五分光镜的透射光经第五反射镜与固定在精密位移平台上的第四反射镜反射后形成第一反射光路按原路返回至第五分光镜；经第五分光镜的反射光经第七反射镜反射后形成第二反射光路按原路返回至第五分光镜，与第一反射光路进行合束，合束后形成第三合...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛彬，王志洋，王崧，李思慧，甄旖璠，明海鹏，关雅轩，翟京生，杨晓霞，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12