一种基于激光致声的海洋流速探测系统及探测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于激光致声的海洋流速探测系统及探测方法，该系统包括通过光纤连接的脉冲激光器、掺铒光纤放大器、耦合器和流速传感器；流速传感器包括壳体以及设置于壳体内的密封腔和姿态仪，壳体上设置透水孔，光纤端口位于密封腔内，密封腔内设置聚焦透镜一、聚焦透镜二和半透半反镜，半透半反镜与壳体底面呈45

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光致声的海洋流速探测系统及探测方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感
，特别涉及一种基于激光致声的海洋流速探测系统及探测方法。

技术介绍

[0002]在复杂多变的海洋环境中，若能实现对海水流速的探测，将大幅提高各种传感器的稳定性和测量精度，但目前利用光学方法
‑
激光致声的方法测量海洋中流速的研究还比较少。
[0003]专利CN 210222056 U中提出了一种海水流速测量装置，利用海水流速产生的力使扇叶转动，然后通过单片机等设备进行数据转换，间接测得海水的流速，但若海水的流速较小，难以达到扇叶转动的条件，就无法测得流速，且只能固定在某一点进行海水流速的测量，另外，该装置存在体积大、受电磁干扰等缺点。
[0004]专利CN 108037311 A中提出了一种基于声光效应的高精度海水流速测量装置，利用脉冲发生器激发超声，超声与参考光、测量光相继发生声光效应，通过测量参考光、测量光的频率从而获得海水流速，但该装置整体结构复杂，光路调整的难度较大，同时受供电限制，只适于测量近海或浅海的海水流速测量，且没有考虑温度、压力等对声速的影响。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于激光致声的海洋流速探测系统及探测方法，以达到结构简单、探测效率高，可对探测结果进行压力、温度以及姿态的补偿，适合海流快速及长期原位测量的目的。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于激光致声的海洋流速探测系统，包括通过光纤连接的脉冲激光器、掺铒光纤放大器、耦合器和流速传感器；所述流速传感器包括壳体以及设置于壳体内的密封腔和姿态仪，所述壳体上设置透水孔，光纤端口位于密封腔内，所述密封腔内沿着光信号出射方向依次设置聚焦透镜一、聚焦透镜二和半透半反镜，所述半透半反镜与壳体底面呈45
°
角设置，所述密封腔底部以及侧壁分别开设透光孔一和透光孔二，所述壳体内壁正对透光孔一和透光孔二的位置处分别设置水听器一和水听器二；所述水听器一和水听器二以及姿态仪均连接计算机；位于壳体内部且位于密封腔外部的光纤内刻写有测压光纤光栅和测温光纤光栅，所述耦合器还通过光纤光栅解调仪连接计算机。
[0007]上述方案中，所述脉冲激光器的中心波长为1550nm，所述半透半反射镜的有效波长范围包含1550nm。
[0008]上述方案中，所述测压光纤光栅和测温光纤光栅的中心波长均与1550nm相差10nm以上，且测压光纤光栅和测温光纤光栅两者的中心波长相差10nm以上。
[0009]上述方案中，所述水听器一和透光孔一之间的距离与水听器二和透光孔二之间的距离相等。
[0010]上述方案中，所述光纤端口位于聚焦透镜一的焦点位置。
[0011]一种基于激光致声的海洋流速探测方法，采用上述的一种基于激光致声的海洋流速探测系统，包括如下步骤：（1）脉冲激光器产生的光信号经光纤传输到掺铒光纤放大器中，经掺铒光纤放大器放大后的光信号沿光纤经过耦合器传输至光纤端口，从光纤端口出射的光信号通过聚焦透镜一变为平行光信号，再经聚焦透镜二会聚于半透半反镜，经半透半反镜透射的光信号通过透光孔一射入海水中，经半透半反镜反射的光信号通过透光孔二射入海水中；（2）高能量的光信号使海水产生热膨胀，进而引起海水中声压变化产生声信号，声信号分别由水听器一和水听器二采集，转变为电信号，进入计算机；（3）对声信号从透光孔一到水听器一以及从透光孔二到水听器二的传播时间作为研究对象，测试在不同温度及不同压力的静水内声信号的传播时间，结合传播距离计算声信号在这两个方向上传播的速度，将声信号在室温及常压下静水内的传播时间作为初始声速，分别对这两个方向上的声速建立关于温度和压力的函数关系式；（4）海上测试时，将流速传感器投入海水中，通过测压光纤光栅和测温光纤光栅测得海水的压力和温度，结合初始声速，根据得到的函数关系式，计算不受海流影响时，声信号在这两个方向上传播的速度；（5）利用水听器一和水听器二测得实际受海流影响时的声信号的传播时间，结合传播距离计算受海流影响时声信号在这两个方向上的传播速度，减去步骤（4）中计算得到的速度，即得到海流在这两个方向上的速度；（6）通过姿态仪的角度校正，得到在地理坐标系中海流的速度。
[0012]通过上述技术方案，本专利技术提供的一种基于激光致声的海洋流速探测系统及探测方法具有如下有益效果：1、本专利技术采用光纤耦合激光的方式，降低了激光在空气或液体中传输的损耗；另外，利用光纤传输激光可灵活改变光信号的路径、控制光信号的方向。
[0013]2、本专利技术采用1550nm的激光光源可降低激光在光纤内传输过程中的损耗。
[0014]3、本专利技术在进行流速测量时，通过与测压光纤光栅和测温光纤光栅串联对声速进行补偿，可有效提高对流速测量的准确度。
[0015]4、本专利技术利用掺铒光纤放大器提高光信号的强度，经聚焦透镜一和聚焦透镜二消除光信号经光纤出射后的损失。
[0016]5、本专利技术利用半透半反镜将光信号分成相互垂直的两束光，利用水听器一和水听器二测量光致声信号自透光孔至水听器探头的传播时间，可求得沿流速传感器垂直和水平方向的海水流速。
[0017]6、本专利技术在流速传感器重心位置，水平或竖直方向安装有姿态仪，可实时获取流速传感器与地理坐标系的偏转角度，通过姿态仪的角度矫正，可得到在地理坐标系中所测流速的方向及大小。
[0018]7、本专利技术采用光纤的方式传输光信号，可以探测更深的海域，延长了探测范围；而且本专利技术只需将流速传感器置于海水中，系统其余部分都位于水上，水下结构简单，控制更方便，操作更灵活。
[0019]8、本专利技术的测压光纤光栅和测温光纤光栅的中心波长均与脉冲激光器的中心波
长1550nm相差10nm以上，且测压光纤光栅和测温光纤光栅两者的中心波长相差10nm以上，因此，测压光纤光栅及测温光纤光栅不会对脉冲激光器发射的激光信号产生影响。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0021]图1为本专利技术实施例所公开的一种基于激光致声的海洋流速探测系统示意图；图2为本专利技术实施例所公开的流速传感器内部结构示意图；图3为光纤端面的光信号能量分布。
[0022]图中，1、脉冲激光器；2、掺铒光纤放大器；3、耦合器；4、流速传感器；5、壳体；6、密封腔；7、姿态仪；8、透水孔；9、光纤端口；10、聚焦透镜一；11、聚焦透镜二；12、半透半反镜；13、透光孔一；14、透光孔二；15、水听器一；16、水听器二；17、计算机；18、光纤光栅解调仪；19、测压光纤光栅；20、测温光纤光栅；21、光纤。
具体实施方式
[0023]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0024]本专利技术提供了一种基于激光致声的海洋流速探测系统，如图1所示，包括通过光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光致声的海洋流速探测系统，其特征在于，包括通过光纤连接的脉冲激光器、掺铒光纤放大器、耦合器和流速传感器；所述流速传感器包括壳体以及设置于壳体内的密封腔和姿态仪，所述壳体上设置透水孔，光纤端口位于密封腔内，所述密封腔内沿着光信号出射方向依次设置聚焦透镜一、聚焦透镜二和半透半反镜，所述半透半反镜与壳体底面呈45
°
角设置，所述密封腔底部以及侧壁分别开设透光孔一和透光孔二，所述壳体内壁正对透光孔一和透光孔二的位置处分别设置水听器一和水听器二；所述水听器一和水听器二以及姿态仪均连接计算机；位于壳体内部且位于密封腔外部的光纤内刻写有测压光纤光栅和测温光纤光栅，所述耦合器还通过光纤光栅解调仪连接计算机。2.根据权利要求1所述的一种基于激光致声的海洋流速探测系统，其特征在于，所述脉冲激光器的中心波长为1550nm，所述半透半反射镜的有效波长范围包含1550nm。3.根据权利要求2所述的一种基于激光致声的海洋流速探测系统，其特征在于，所述测压光纤光栅和测温光纤光栅的中心波长均与1550nm相差10nm以上，且测压光纤光栅和测温光纤光栅两者的中心波长相差10nm以上。4.根据权利要求1所述的一种基于激光致声的海洋流速探测系统，其特征在于，所述水听器一和透光孔一之间的距离与水听器二和透光孔二之间的距离相等。5.根据权利要求1所述的一种基于激光致声的海洋流速探测系统，其特征在于，所述光纤端口位于聚焦透镜一的焦点位置。6.一种基于激光致...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵强，于璐瑶，杜大伟，张建伟，丁宝艳，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：