一种基于激光散射的海水温度遥感系统技术方案

本发明专利技术提出一种基于激光散射的海水温度遥感系统，该系统包括：激光发射部件，用于产生激光，并将激光分为本振光和探测光，随后将探测光聚焦到指定深度的水域；激光接收部件，用于获取待测水域的瑞利布里渊散射的散射光谱；光电转换部件，用于将瑞利布里渊散射的散射光谱转换为光谱电信号；温度分析计算部件，用于对所述光谱电信号中谱线信息进行线形函数拟合，得到对应的谱线信息参数，以计算所述后向散射光的散射区域内的海水浓度、海水温度和海水速度。水速度。水速度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光散射的海水温度遥感系统


[0001]本专利技术属于水下温度遥感领域，尤其涉及一种基于激光散射的海水温度遥感系统。

技术介绍

[0002]布里渊散射是由于介质的密度波动引起的光的非弹性散射现象。这种介质密度波动也会造成光子的频率上的变化，体现在频谱上则是相对于入射光子的频率偏移。对于大量同频率光子以同一方向入射介质时，散射光不但会发生布里渊频移，并且还会因为与介质的原子或分子相互作用而产生展宽效应，最终其在频谱体现为相对于激光中心频率发生了偏移的布里渊散射峰，通过布里渊散射峰可以得到海水温度。
[0003]布里渊散射是一种光子与介质相互作用的非弹性散射，当布里渊散射发生时，光子通过碰撞会吞并一个声子增加自身能量，或者损耗自身能量进而产生一个声子。这种碰撞产生的声光能量交换会引起散射光频率的改变。在频谱上，这种光频率的变化体现为布里渊散射峰分为斯托克斯峰和反斯托克斯峰，其位置对称的分布在激光中心频率的两侧，并相对于激光中心频率发生了一定的偏移。该偏移量被命名为布里渊频移。布里渊散射的这种频谱分布与声学声子本身的能量有关，能够与介质粒子自由程等联系起来。当布里渊散射发生时，与光子发生相互作用的并非介质粒子，而是介质的密度波动，这种介质的密度波动与介质的物理属性，如温度等都有关系。因而，布里渊散射谱能够反映介质的物理特性，如声速，温度等。而作为谱特征参数的布里渊频移由于与介质的物理特性有联系而逐渐被人们用于研究和测量介质的物理特性，例如，基于激光的布里渊散射被广泛地应用在分布式温度光纤传感器、海洋温度遥感等领域，用于对环境物理参量进行测量。
[0004]在海洋温度遥感应用中，基于布里渊散射的激光雷达系统采用的布里渊散射光谱测量技术主要有以下2类：边缘探测技术和F
‑
P法布里
‑
珀罗(Fabry
‑
P
é
rot)扫描干涉仪技术，其中，边缘探测技术的成本较高，而F
‑
P扫描干涉仪的扫描时间较长，这两种技术在实际应用中都受到了限制。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种基于激光散射的海水温度遥感系统，该系统包括：
[0006]激光发射部件，用于产生激光，并将激光分为本振光和探测光，随后将探测光聚焦到指定深度的水域；
[0007]激光接收部件，用于获取待测水域的瑞利布里渊散射的散射光谱；
[0008]光电转换部件，用于将瑞利布里渊散射的散射光谱转换为光谱电信号；
[0009]温度分析计算部件，用于对所述光谱电信号中谱线信息进行线形函数拟合，得到对应的谱线信息参数，以计算所述后向散射光的散射区域内的海水浓度、海水温度和海水速度。
[0010]可选的，所述系统采用中心波长为532nm的脉冲激光器，，并且脉冲激光器的单脉冲能量为650mJ，脉冲重复频率为10Hz，最小脉宽约为2ns。
[0011]可选的，所述激光接收部件，具体用于向水下打出一道激光，并接收后向瑞利布里渊散射光，后向瑞利布里渊散射光经过F
‑
P标准具形成干涉环，经由聚焦透镜聚焦后，在ICCD上成像，通过ICCD获得多组等信噪比的散射光谱。
[0012]可选的，该系统所采用的平衡探测器，所述平衡光电探测器内置两路通道，使用两个特性完全接近的光电二极管分别进行光电转换。
[0013]可选的，通过高斯函数和洛伦兹函数的卷积，得到福伊特函数Voigt描述的海水谱线展宽的线形。
[0014]可选的，根据谱线信息计算后向散射光的散射区域内的海水浓度、海水温度和海水速度，具体包括计算得到积分吸光度；随后根据所述积分吸光度计算海水浓度、海水浓度和海水压力。
[0015]可选的，在计算海水浓度时，根据积分吸光度、海水压强、测量光程长度、吸收线线强，计算得到海水浓度。
[0016]可选的，在计算海水温度时，两个吸收峰的积分吸光度之比可以简化为线强之比。
[0017]可选的，在计算海水压力时，根据测量得到的海水的吸光度和谱线的洛伦兹展宽，计算海水压力。
[0018]可选的，通过以下公式，计算得到积分吸光度：
[0019][0020]本专利技术的技术方案能够快速且高精度地获取布里渊频移以及水下垂直温度分布，具有成本低、测量简便、实时性好、抗噪性好。
[0021]本专利技术的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
附图说明
[0022]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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1是基于激光散射的海水温度遥感系统示意图；
[0024]图2是计算海水浓度、海水温度和海水压力流程图。
具体实施方式
[0025]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，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0026]如图1所示，一种基于激光散射的海水温度遥感系统，该系统包括：
[0027]激光发射部件，用于产生激光，并将激光分为本振光和探测光，随后将探测光聚焦到指定深度的水域。
[0028]激光光源作为光学能量的提供设备，在整套测量系统中占有非常重要的地位。对于海洋遥感来说，由于激光雷达属于主动式遥感设备，激光波长对于整套激光雷达的性能有非常重要的作用，因为海水对于不同波段的光具有不同的吸收率。选择合适波长的激光器作为光源，不但能够有效地降低激光所需功率和成本，还能有效地提高激光对海水的穿透性，增加遥感深度。在海水的光学谱线信息上，480nm到580nm的蓝绿光波段存在一个透过窗口，海水对该波长范围内的光吸收率最低。激光波长如果选择在这一波段，其衰减系数将会小于0.01，而其衰减长度也能达到100米以上。为满足探测深度需求，本测量系统优选采用中心波长为532nm的脉冲激光器，与连激光相比，脉冲激光有更大的能量，可以穿透更深的海水。另外此脉冲激光器的单脉冲能量为650mJ，脉冲重复频率为10Hz，最小脉宽约为2ns。
[0029]由激光器发出的激光经聚焦系统汇聚在海水的监测点,之后海面反射回散射光,散射光包含了入射激光、与入射激光同频率的米散射光、瑞利散射光和入射激光有频移的布里渊散射光，以及与入射激光有频移的拉曼散射光。
[0030]激光接收部件，用于获取待测水域的瑞利布里渊散射的散射光谱。
[0031]向水下打出一道激光，并接收后向瑞利布里渊散射光，后向瑞利布里渊散射光经过F
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P标准具形成干涉环，经由聚焦透镜聚焦后，在ICCD上成像，通过ICCD获得多组等信噪比的散射光谱。采用F
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P标准具结合ICCD的散射光谱图采集方法，可以实时获取水下布本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光散射的海水温度遥感系统，该系统包括：激光发射部件，用于产生激光，并将激光分为本振光和探测光，随后将探测光聚焦到指定深度的水域；激光接收部件，用于获取待测水域的瑞利布里渊散射的散射光谱；光电转换部件，用于将瑞利布里渊散射的散射光谱转换为光谱电信号；温度分析计算部件，用于对所述光谱电信号中谱线信息进行线形函数拟合，得到对应的谱线信息参数，以计算所述后向散射光的散射区域内的海水浓度、海水温度和海水速度。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统采用中心波长为532nm的脉冲激光器，，并且脉冲激光器的单脉冲能量为650mJ，脉冲重复频率为10Hz，最小脉宽约为2ns。3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述激光接收部件，具体用于向水下打出一道激光，并接收后向瑞利布里渊散射光，后向瑞利布里渊散射光经过F
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P标准具形成干涉环，经由聚焦透镜聚焦后，在ICCD上成像，通过ICCD获得多组等信噪比的散射光谱。4.如权利要求2所述的系...

【专利技术属性】
技术研发人员：鹿国庆，管欣童，梁丽婷，
申请(专利权)人：江苏省海洋资源开发研究院连云港，
类型：发明
国别省市：