CN107290063A - 一种海水温度测量方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海水温度测量方法及***，涉及海洋温度遥感技术领域。本方法包括以下步骤：将激光分为相干的本振光和探测光，并将探测光聚焦到指定深度水域；从指定深度水域接收后向瑞利布里渊散射光；对后向瑞利布里渊散射光与本振光进行混频并通过光电转换后输出中频信号；从中频信号中提取布里渊频移，根据海水温度反演模型计算获得指定深度水域的海水温度。本发明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、抗噪性好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及海洋温度遥感技术领域，具体是涉及一种海水温度测量方法及***。
背景技术
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。
在海洋温度遥感应用中，基于布里渊散射的激光雷达***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-Pérot)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。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的主要目的在于提供一种海水温度测量方法，本发明的另一目的在于提供一种海水温度测量***，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、抗噪性好的特点。
本发明提供一种海水温度测量方法，包括以下步骤：
将激光分为相干的本振光和探测光，并将探测光聚焦到指定深度水域；
从指定深度水域接收后向瑞利布里渊散射光；
对后向瑞利布里渊散射光与本振光进行混频并通过光电转换后输出中频信号；
从中频信号中提取布里渊频移，根据海水温度反演模型计算获得指定深度水域的海水温度。
在上述技术方案的基础上，对后向瑞利布里渊散射光与本振光进行混频并通过光电转换后输出中频信号包括：使用平衡外差方法对后向瑞利布里渊散射光与本振光进行混频并生成中频信号。
在上述技术方案的基础上，所述中频信号的频率范围为7GHz-8GHz。
在上述技术方案的基础上，所述激光为脉冲激光。
在上述技术方案的基础上，从数字信号中提取布里渊频移包括：
将数字信号进行快速傅里叶FFT变换，并利用周期图法获得脉冲回波功率谱；
对多个所述脉冲回波功率谱进行累加获得累加功率谱；
使用非线性拟合算法从所述累加功率谱中计算获得布里渊频移。
在上述技术方案的基础上，所述海水温度反演模型为：
T(S,νB)＝a0+a1(νB-7.5)+a2(νB-7.5)2+a3(νB-7.5)3+a4(νB-7.5)6+
S[a5+a6(νB-7.5)+a7(νB-7.5)2+a8(νB-7.5)3]
其中，T为温度，ai为常数，i＝1,2,……,8，νB为布里渊频移，S为海水中的盐度。
本发明还提供一种海水温度测量***，包括：
激光发射单元，其用于产生激光，将激光分为相干的本振光和探测光，并将探测光聚焦到指定深度水域；
光接收单元，其用于从指定深度水域接收后向瑞利布里渊散射光；
光电转换单元，其用于对后向瑞利布里渊散射光与本振光进行混频并通过光电转换后输出中频信号；
数据处理单元，其用于从中频信号中提取布里渊频移，并根据海水温度反演模型计算获得指定深度水域的海水温度。
在上述技术方案的基础上，所述激光发射单元包括激光器、分束器、光束控制和整形器，激光器用于产生激光，分束器用于将激光分为本振光和探测光，光束控制和整形器用于将探测光聚焦到指定深度水域。
在上述技术方案的基础上，所述光电转换单元包括：
平衡探测器，其用于分别接收本振光和后向瑞利布里渊散射光，对后向瑞利布里渊散射光与本振光进行混频并通过光电转换后输出中频信号；
放大器，其用于对所述中频信号进行放大；
采集卡，其用于对放大后的所述中频信号进行数字采样。
在上述技术方案的基础上，所述海水温度反演模型为：
T(S,νB)＝a0+a1(νB-7.5)+a2(νB-7.5)2+a3(νB-7.5)3+a4(νB-7.5)6+
S[a5+a6(νB-7.5)+a7(νB-7.5)2+a8(νB-7.5)3]
其中，T为温度，ai为常数，i＝1,2,……,8，νB为布里渊频移，S为海水中的盐度。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)将频率不同的本振光和后向瑞利布里渊散射光叠加生成中频信号，基于光外差探测法，即利用光相干叠加原理(频谱检测)，从而实现对布里渊频移的测量，与传统信号接收处理***相比，本发明实施例海水温度测量方法及***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、抗噪性好的特点。
(2)采用平衡外差方法可以克服本振光中的散粒噪声对外差探测信噪比的影响，提高中频信号的信噪比，进一步提高了抗噪性。
(3)由于海水信道为随机信道，获取的后向瑞利布里渊散射信号有较强起伏，对多个脉冲回波功率谱进行累加可以降噪，进一步提高信噪比。
附图说明
图1是本发明实施例海水温度测量方法流程图；
图2是本发明实施例海水温度测量***示意图。
具体实施方式
本发明基于激光外差技术，采用脉冲激光经分束镜分束后分为探测光和本振光，探测光经光学扩聚束整形后在指定深度水域产生散射，后向瑞利布里渊散射光经望远镜接收后导入平衡探测器与本振光混频。基于光外差探测法，即利用光相干叠加原理，将频率不同的本振光和后向瑞利布里渊散射光叠加，将作为高频光波信号的后向瑞利布里渊散射光转换为中频包络信号，混频后的差分信号进入低噪声放大器进行电学放大以保证差分信号的动态范围，随后由采集卡进行模数AD采样并送至计算机进行后续的数据处理从而实现对布里渊频移的测量以及温度反演。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供一种海水温度测量方法，包括以下步骤：
S1.将激光分为相干的本振光和探测光，并将探测光聚焦到指定深度水域。激光经光学分束器后分为2路光，一路作为探测光经过光束控制和扩聚束整形后入射到指定深度水域，以探测该水域的温度信息；另一路作为本振光，与从指定深度水域接收到的后向瑞利布里渊散射光进行混频。激光优选中心波长为532nm的脉冲激光。
S2.从指定深度水域接收后向瑞利布里渊散射光。
S3.对后向瑞利布里渊散射光与本振光进行混频并通过光电转换后输出中频信号。
具体的，对后向瑞利布里渊散射光与本振光进行混频并通过光电转换后输出中频信号包括：使用平衡外差方法对后向瑞利布里渊散射光与本振光进行混频并生成中频信号。平衡外差法的核心器件为平衡探测器。平衡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，后向瑞利布里渊散射光与本振光混频后输出的光信号分别进入该两路通道，其中一路加入延迟线，或使用马赫曾德干涉仪，调整一路的相位反偏，后端使用差分放大器，放大差模信号，抑制共模信号。将两路通道的输出信号合并后，噪声完全相抵，只有二者的差别信号被大幅度放大输出，因此具有良好的光电转换放大特性。中频信号的频率范围为7GHz-8GHz。
采用平衡外差方法可以克服本振光中的散粒噪声对外差探测信噪比的影响，提高中频信号的信噪比，进一步提高了抗噪性。
S4.从数字信号中提取布里渊频移，根据海水温度反演模型计算获得指定深度水域的海水温度。
步骤S4中，从数字信号中提取布里渊频移包括：
S4.1将数字信号进行快速傅里叶FFT变换，并利用周期图法获得脉冲回波功率谱；
S4.2对多个脉冲回波功率谱进行累加获得累加功率谱；
S4.3使用Levenberg-Marquardt非线性拟合算法从累加功率谱中计算获得布里渊频移。
由于海水信道为随机信道，获取的后向瑞利布里渊散射信号有较强起伏，对多个脉冲回波功率谱进行累加可以降噪，进一步提高信噪比。
海水温度反演模型为：
T(S,νB)＝a0+a1(νB-7.5)+a2(νB-7.5)2+a3(νB-7.5)3+a4(νB-7.5)6+
S[a5+a6(νB-7.5)+a7(νB-7.5)2+a8(νB-7.5)3]
其中，T为温度，ai为常数，i为正整数，νB为布里渊频移，S为海水中的盐度，这里取35‰(世界大洋平均盐度)。
要注意的是，该海水温度反演模型不仅与布里渊频移有关，而且与海水中的盐度S有关。在用该模型进行反演时，盐度S是作为已知量35‰(世界大洋平均盐度)来进行处理的。
ai见表1：
表1：常数ai
| ai | |
| i＝0 | 23.5 |
| i＝1 | 65.5 |
| i＝2 | 75 |
| i＝3 | 252 |
| i＝4 | 1100 |
| i＝5 | -0.402 |
| i＝6 | -0.287 |
| i＝7 | -0.902 |
| i＝8 | -5.5 |
将频率不同的本振光和后向瑞利布里渊散射光叠加生成中频信号，基于光外差探测法，即利用光相干叠加原理(频谱检测)，从而实现对布里渊频移的测量，与传统信号接收处理***相比，本发明实施例海水温度测量方法及***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、抗噪性好的特点。
参见图2所示，本发明实施例还提供一种海水温度测量***，本测量***包括激光发射单元1、光接收单元2、光电转换单元3和数据处理单元4。
激光发射单元1用于产生激光，在本发明中优选采用的是脉冲激光，脉冲激光较连续激光有更强的能量，能够穿透更深的海水，将激光分为相干的本振光和探测光，并将探测光聚焦到指定深度水域。具体的，激光发射单元1包括激光器11、分束器12、光束控制和整形器13，激光器11用于产生激光，分束器12用于将激光分为本振光和探测光，光束控制和整形器13用于将探测光聚焦到指定深度的水域。
激光光源作为光学能量的提供设备，在整套测量***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。在海水的光学吸收谱线上，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***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。
光束控制和整形器13可以包括光束控制模块和扩聚束整形模块，光束控制模块由一系列光学透镜组组成，用于控制探测光。与光束控制模块连接的扩聚束整形模块主要由扩束透镜和聚焦透镜组成，用于将探测光聚焦在指定深度水域。激光器产生的脉冲激光被分束器分为单色、相干的探测光和本振光后，探测光先经光束控制模块以及扩束镜扩束再经聚焦透镜聚焦到指定深度水域，用于探测该深度的海水温度。
光接收单元2用于从指定深度水域接收后向瑞利布里渊散射光。光接收单元2主要由望远镜21和光学透镜组22组成，望远镜21用于接收指定深度水域的后向瑞利布里渊散射光，随后由一系列光学透镜组22调整光路进行光束控制和整形后导入至光电转换单元3。
光电转换单元3用于对后向瑞利布里渊散射光与本振光进行混频并通过光电转换后输出中频信号，光电转换单元3是本测量***的核心部分，光电转换单元3包括平衡探测器31、放大器32和采集卡33。
平衡探测器31用于分别接收本振光和后向瑞利布里渊散射光，对后向瑞利布里渊散射光与本振光进行混频并通过光电转换后输出中频信号(电信号)，中频信号即为所需要测量的布里渊频移。光电探测器是激光接收的关键器件之一，根据光外差探测技术，如果本振光含有散粒噪声，则输出的中频信号信噪比降低，为了克服本振光散粒噪声的影响，通常采用平衡式外差技术，即本测量***所采用的平衡探测器。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，后向瑞利布里渊散射光与本振光混频后输出的光信号分别进入该两路通道，其中一路加入延迟线，或使用马赫曾德干涉仪，调整一路的相位反偏，后端使用差分放大器，放大差模信号，抑制共模信号。将两路通道的输出信号合并后，噪声完全相抵，只有二者的差别信号被大幅度放大输出，因此具有良好的光电转换放大特性。另外，平衡探测器31将高频的后向瑞利布里渊散射光转换成较低频的中频信号，方便采集卡33进行数字数据采样。
放大器32用于对中频信号进行放大，放大器32优选采用低噪声放大器，低噪声放大器对平衡探测器31输出的中频信号进行电学放大，保证中频信号的动态范围。
采集卡33用于对放大后的中频信号进行数字采样，并发给数据处理单元4做后端数据处理，采集卡33可以为模数AD芯片。
数据处理单元4用于从中频信号中提取布里渊频移，并根据海水温度反演模型计算获得指定深度水域的海水温度。数据处理单元4主要由计算机组成，光电转化***3的采集卡33输出的数字信号传输至计算机中进行功率谱估计并计算布里渊频移，再结合海水温度反演模型进行温度计算。
海水温度反演模型为：
T(S,νB)＝a0+a1(νB-7.5)+a2(νB-7.5)2+a3(νB-7.5)3+a4(νB-7.5)6+
S[a5+a6(νB-7.5)+a7(νB-7.5)2+a8(νB-7.5)3]
其中，T为温度，ai为常数，i＝1,2,……,8，νB为布里渊频移，S为海水中的盐度，这里取35‰(世界大洋平均盐度)。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种海水温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将激光分为相干的本振光和探测光，并将探测光聚焦到指定深度水域；
从指定深度水域接收后向瑞利布里渊散射光；
对后向瑞利布里渊散射光与本振光进行混频并通过光电转换后输出中频信号；
从中频信号中提取布里渊频移，根据海水温度反演模型计算获得指定深度水域的海水温度。
2.如权利要求1所述的海水温度测量方法，其特征在于，对后向瑞利布里渊散射光与本振光进行混频并通过光电转换后输出中频信号包括：使用平衡外差方法对后向瑞利布里渊散射光与本振光进行混频并生成中频信号。
3.如权利要求2所述的海水温度测量方法，其特征在于：所述中频信号的频率范围为7GHz-8GHz。
4.如权利要求1所述的海水温度测量方法，其特征在于：所述激光为脉冲激光。
5.如权利要求4所述的海水温度测量方法，其特征在于，从数字信号中提取布里渊频移包括：
将数字信号进行快速傅里叶FFT变换，并利用周期图法获得脉冲回波功率谱；
对多个所述脉冲回波功率谱进行累加获得累加功率谱；
使用非线性拟合算法从所述累加功率谱中计算获得布里渊频移。
6.如权利要求1所述的海水温度测量方法，其特征在于，所述海水温度反演模型为：
T(S,νB)＝a0+a1(νB-7.5)+a2(νB-7.5)2+a3(νB-7.5)3+a4(νB-7.5)6+
S[a5+a6(νB-7.5)+a7(νB-7.5)2+a8(νB-7.5)3]
其中，T为温度，ai为常数，i＝1,2,……,8，νB为布里渊频移，S为海水中的盐度。
7.一种海水温度测量***，其特征在于，包括：
激光发射单元，其用于产生激光，将激光分为相干的本振光和探测光，并将探测光聚焦到指定深度水域；
光接收单元，其用于从指定深度水域接收后向瑞利布里渊散射光；
光电转换单元，其用于对后向瑞利布里渊散射光与本振光进行混频并通过光电转换后输出中频信号；
数据处理单元，其用于从中频信号中提取布里渊频移，并根据海水温度反演模型计算获得指定深度水域的海水温度。
8.如权利要求7所述的海水温度测量***，其特征在于：所述激光发射单元包括激光器、分束器、光束控制和整形器，激光器用于产生激光，分束器用于将激光分为本振光和探测光，光束控制和整形器用于将探测光聚焦到指定深度水域。
9.如权利要求7所述的海水温度测量***，其特征在于：所述光电转换单元包括：
平衡探测器，其用于分别接收本振光和后向瑞利布里渊散射光，对后向瑞利布里渊散射光与本振光进行混频并通过光电转换后输出中频信号；
放大器，其用于对所述中频信号进行放大；
采集卡，其用于对放大后的所述中频信号进行数字采样。
10.如权利要求7所述的海水温度测量***，其特征在于：所述海水温度反演模型为：
T(S,νB)＝a0+a1(νB-7.5)+a2(νB-7.5)2+a3(νB-7.5)3+a4(νB-7.5)6+
S[a5+a6(νB-7.5)+a7(νB-7.5)2+a8(νB-7.5)3]
其中，T为温度，ai为常数，i＝1,2,……,8，νB为布里渊频移，S为海水中的盐度。
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