本发明专利技术涉及湍流水体探测方法及装置，具体涉及一种基于激光多普勒效应的湍流水体剖面流速探测方法及装置，解决了现有技术中没有对深海湍流水体剖面流速探测手段的不足之处。本发明专利技术提供的探测方法采用激光探测，将激光信号分为测量光束和参考光束，测量光束在待测水体中不同剖面产生的后向散射回波光束与参考光束发生拍频干涉，将产生的拍频干涉信号被转换为电信号后进行运算，获得湍流水体剖面流速。本发明专利技术还提供一种用于实现上述探测方法的探测装置，包括激光器、三个激光分束器、激光传输光路、激光调制系统、激光收发系统、光电探测器、信号处理系统和数据存储系统。本发明专利技术可应用于深海环境并进行小尺度湍流流速的探测，具有更高水平分辨率。有更高水平分辨率。有更高水平分辨率。
【技术实现步骤摘要】
基于激光多普勒效应的湍流水体剖面流速探测方法及装置
[0001]本专利技术涉及湍流水体探测方法及装置，具体涉及一种基于激光多普勒效应的湍流水体剖面流速探测方法及装置。
技术介绍
[0002]湍流是一种重要的物理海洋现象，能够反映海洋物质循环和能量传递过程，对海洋研究具有重要意义。由于湍流的高度非线性和极端非对称，无法通过数值模拟完整、精确的湍流运动过程，因此对湍流的研究主要基于大量的现场观测数据。
[0003]深海湍流剧烈的混合和扩散过程对全球海洋物质循环及能量平衡、全球天气及气候变化起着重要的调控作用，深刻影响着全球变暖背景下海洋对大气中热量和二氧化碳盈余的吸收能力，因此对深海湍流活动的研究一直是全球海洋研究的热点。
[0004]现阶段常采用基于Reynolds平均法构建的湍动能
‑
湍流耗散率模型(k
‑
ε模型)近似描述湍流及其混合扩散过程。表征湍流过程的湍动能和湍流耗散率均由湍流流速决定，因此流速观测数据对湍流研究至关重要。
[0005]传统的湍流观测仪器包括湍流剖面仪、点式声学多普勒流速仪及声学多普勒剖面流速仪等。湍流剖面仪通过测量流速剪切可获得湍流的耗散率，而无法实现对湍动能的计算；点式声学多普勒流速仪通过对单点的高频重复探测，可获得湍流的耗散率，但只能测量单点流速，无法获取湍流的三维流场信息，数据有效性较低。
[0006]声学多普勒剖面流速仪可通过对湍流三维流速的探测获取湍流耗散率和湍动能，不仅能够观测到湍流活动的剧烈程度，也一定程度上解释了造成湍流活动强弱的原因。声学多普勒剖面流速仪通过接收浮游生物、悬浮颗粒物和气泡等引起的声散射回波实现对剖面流速的探测，但在深海海域，浮游生物和悬浮颗粒物等散射体含量极低，声散射回波强度无法满足高频声学多普勒剖面流速仪的最低信噪比要求。因此声学多普勒剖面流速仪无法应用于深海，限制了其对深海湍流的研究。
[0007]针对上述仪器的观测能力的不足，需提出一种可有效实现对深海湍流活动观测的探测方法和装置。
技术实现思路
[0008]本专利技术的目的是解决现有技术中没有对深海湍流水体剖面流速探测手段的技术问题，而提供一种基于激光多普勒效应的湍流水体剖面流速探测装置及方法。
[0009]本专利技术的设计思路是：
[0010]相比于海洋环流、中尺度涡等中大尺度物理海洋效应，湍流的尺度较小，部分海洋湍流甚至介于米级尺度，因此，为了实现对湍流的有效观测，观测设备必须具有较高的水平分辨率。激光在深海中的散射回波更强，通过接收到的激光在水体前向传输时的后向散射回波，然后再对不同剖面的后向散射回波信号多普勒频移的提取，可实现对剖面流速的有效探测。
[0011]为实现上述专利技术目的、完成上述专利技术思路，本专利技术采用的技术方案为：
[0012]一种基于激光多普勒效应的湍流水体剖面流速探测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0013]步骤1、将激光器1发出的连续激光信号分为两束，一束记为测量光束，另一光束记为参考光束；
[0014]步骤2、将测量光束调制为脉冲光束，并将脉冲光束照射向待测水体8；
[0015]步骤3、脉冲光束在待测水体8中不同剖面产生后向散射回波光束，接收后向散射回波光束，使之与参考光束发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；
[0016]步骤4、将拍频干涉信号转换为模拟电信号，并将模拟电信号传输至信号处理系统6；
[0017]步骤5、采用信号处理系统6对模拟电信号进行多普勒频移的提取，通过下式计算，得到待测水体8的各剖面流速：
[0018][0019]其中，v为各剖面流速；
[0020]f为各剖面多普勒频移；
[0021]λ为激光器1发出的连续激光信号波长。
[0022]进一步地，所述步骤1中，激光器1发出的连续激光信号波长为460nm
‑
550nm。
[0023]进一步地，还包括：
[0024]步骤6、将信号处理系统6计算得到的待测水体8各剖面流速v传输至数据存储系统7进行存储。
[0025]本专利技术还提供了一种基于激光多普勒效应的湍流水体剖面流速探测装置，用于实现上述基于激光多普勒效应的湍流水体剖面流速探测方法，其特殊之处在于：
[0026]包括激光器1、第一激光分束器121、第二激光分束器122、第三激光分束器123、激光传输光路13、激光调制系统2、激光收发系统4、光电探测器5、信号处理系统6和数据存储系统7；
[0027]所述第一激光分束器121设置在激光器1发出的连续激光信号的激光传输光路13上，将连续激光信号分为两束，一束记为测量光束，另一束记为参考光束；所述激光调制系统2位于测量光束的激光传输光路13上，将测量光束调制为脉冲光束；所述第三激光分束器123位于参考光束的激光传输光路13上；
[0028]所述第二激光分束器122、激光收发系统4依次位于脉冲光束的激光传输光路13上，激光收发系统4将脉冲光束发送至待测水体8，并接收待测水体8不同剖面产生的后向散射回波光束，然后将后向散射回波光束经由第二激光分束器122传输至第三激光分束器123；
[0029]通过第三激光分束器123的参考光束和经由第二激光分束器122传输至第三激光分束器123的后向散射回波光束发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；所述光电探测器5位于第三激光分束器123的激光传输光路13上，将探测到的拍频干涉信号转换为模拟电信号传输至信号处理系统6；
[0030]所述数据存储系统7和信号处理系统6通过电信号传输线14连接，用于存储计算得
到的湍流水体剖面流速信息。
[0031]进一步地，所述激光调制系统2包括依次通过电信号传输线14连接的信号源9、射频信号放大器10和激光调制器11；
[0032]所述激光调制器11位于测量光束的激光传输光路13上，将测量光束调制为脉冲光束。
[0033]进一步地，所述第一激光分束器121、第二激光分束器122、第三激光分束器123由空间光学组件或光纤光学组件组成，分光比例为1:99至99:1。
[0034]进一步地，还包括反射镜3；
[0035]所述反射镜3位于参考光束的激光传输光路13上，用于将参考光束反射至第三激光分束器123；
[0036]所述第一激光分束器121、第二激光分束器122、第三激光分束器123为平板分束镜、分束立方体、分束棱镜；
[0037]所述激光传输光路13为激光在空间中的传输路径。
[0038]进一步地，所述第一激光分束器121、第二激光分束器122、第三激光分束器123为光纤耦合器、光纤环形器；
[0039]所述激光传输光路13为激光在光纤中的传输路径；
[0040]所述激光传输光路13的载体为单模光纤。
[0041]进一步地，所述光电探测器5为光电探测器、光电二极管、光电倍增管、条纹相机或基于CCD和CMOS的数字相机；
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于激光多普勒效应的湍流水体剖面流速探测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将激光器(1)发出的连续激光信号分为两束，一束记为测量光束，另一束记为参考光束；步骤2、将测量光束调制为脉冲光束，并将脉冲光束照射向待测水体(8)；步骤3、脉冲光束在待测水体(8)中不同剖面产生后向散射回波光束，接收后向散射回波光束，使之与参考光束发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；步骤4、将拍频干涉信号转换为模拟电信号，并将模拟电信号传输至信号处理系统(6)；步骤5、采用信号处理系统(6)对模拟电信号进行多普勒频移的提取，并通过下式计算，得到待测水体(8)的各剖面流速：其中，v为各剖面流速；f为各剖面多普勒频移；λ为激光器(1)发出的连续激光信号波长。2.根据权利要求1所述的基于激光多普勒效应的湍流水体剖面流速探测方法，其特征在于：步骤1中，所述激光器(1)发出的连续激光信号波长为460nm
‑
550nm。3.根据权利要求1或2所述的基于激光多普勒效应的湍流水体剖面流速探测方法，其特征在于，还包括：步骤6、将信号处理系统(6)计算得到的待测水体(8)各剖面流速v传输至数据存储系统(7)进行存储。4.一种基于激光多普勒效应的湍流水体剖面流速探测装置，用于实现权利要求1
‑
3任一所述的基于激光多普勒效应的湍流水体剖面流速探测方法，其特征在于：包括激光器(1)、第一激光分束器(121)、第二激光分束器(122)、第三激光分束器(123)、激光传输光路(13)、激光调制系统(2)、激光收发系统(4)、光电探测器(5)、信号处理系统(6)和数据存储系统(7)；所述第一激光分束器(121)设置在激光器(1)发出的连续激光信号的激光传输光路(13)上，将连续激光信号分为两束，一束记为测量光束，另一束记为参考光束；所述激光调制系统(2)位于测量光束的激光传输光路(13)上，将测量光束调制为脉冲光束；所述第三激光分束器(123)位于参考光束的激光传输光路(13)上；所述第二激光分束器(122)、激光收发系统(4)依次位于脉冲光束的激光传输光路(13)上，激光收发系统(4)将脉冲光束发送至待测水体(8)，并接收待测水体(8)不同剖面产生的后向散射回波光束，然后将后向散射回波光束经由第二激光分束器(122)传输至第三激光分束器(123)；通过第三激光分束器...
【专利技术属性】
技术研发人员：郝歌扬，吴国俊，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：
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