CN111474143A - 岩溶区水环境激光衰减特性试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供岩溶区水环境激光衰减特性试验装置及方法，涉及岩溶区探测试验领域，包括发射端和接收端，所述发射端和接收端之间设有调节箱，所述调节箱内容纳有试验溶液，所述调节箱用于调节试验溶液的介质和浊度，所述发射端输出不同波段的激光透射过调节箱及试验溶液后投射在接收端，所述接收端用于接收激光并测取其光强；通过调整试验溶液的浑浊度、介质种类和激光波长，通过测取接收光强和输出光强进行分析计算，利用正交试验远离，研究溶洞复杂水环境下不同波长段激光衰减性规律。
Description
技术领域
本公开涉及岩溶区探测试验领域，特别涉及岩溶区水环境激光衰减特性试验装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
岩溶发育区近地表赋存大量溶洞，以充填介质状态分类，可分为：气态溶洞、液态溶洞、塑态溶洞。由于气态溶洞内部遮挡物较少，激光在气态溶洞精细化探查方面中应用广泛且效果良好；但对于液态溶洞环境，特别对于浑浊度较大条件下，激光衰减性较为强烈，导致激光穿透距离有限，导致探测距离有限。
发明人发现，不同波长的激光在不同浑浊度的液态环境中，其衰减性大不相同，即使相同的浑浊度下，由于不同充填物粒径不同，激光衰减情况也不一样；目前缺少探索激光在液态溶洞环境下的更保真探测技术，难以满足复杂水环境中的激光最大探测距及最佳溶洞探测效果，而对不同溶洞溶解物环境下的不同波长段激光衰减性规律进行试验研究，目前并没有对激光衰减特性进行针对性试验的设备及方法，难以满足需求。
发明内容
本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供岩溶区水环境激光衰减特性试验装置及方法，通过调整试验溶液的浑浊度、介质种类和激光波长，通过测取接收光强和输出光强进行分析计算，利用正交试验远离，研究溶洞复杂水环境下不同波长段激光衰减性规律。
本公开的第一目的是提供岩溶区水环境激光衰减特性试验装置，采用以下技术方案：
包括发射端和接收端，所述发射端和接收端之间设有调节箱，所述调节箱内容纳有试验溶液，所述调节箱用于调节试验溶液的介质和浊度，所述发射端输出不同波段的激光透射过调节箱及试验溶液后投射在接收端，所述接收端用于接收激光并测取其光强。
进一步地，所述发射端配合有功率仪，用于控制并测定发射端输出激光的光强。
进一步地，所述调节箱包括透明箱体、调节机构和浊度仪，所述调节机构和浊度仪布置在透明箱体内，所述透明箱体用于容纳试验溶液，所述浊度仪用于实时测取试验溶液的浊度。
进一步地，所述调节机构包括溶质盒和搅拌机构，所述溶质盒内容纳有与试验溶液相同的介质，用于释放介质调整试验溶液的浊度，所述搅拌机构用于在外部驱动作用下对试验溶液进行搅拌，使介质均匀分布。
进一步地，所述调节箱、接收端与发射端分别与控制器电联，所述控制器用于获取外部指令调节发射端的输出参数和调节箱内试验溶液的浊度。
本公开的第二目的是提供岩溶区水环境激光衰减特性试验方法，包括以下步骤：
在透明箱体的两侧分别布置激光发射器和激光接收器；
向透明箱体内注入试验溶液，激光发射器输出激光，透射穿过透明箱体和试验溶液后透射在激光接收器上，记录激光发射器的输出光强和激光接收器的接收光强；
采用控制变量法，调整激光波长、介质种类和浑浊度，分别测取输出光强和接收光强；
求解试验溶液的衰减参数。
进一步地，在注入试验溶液前，预先调整激光发射器、激光接收器和透明箱体的位置。
进一步地，所述激光发射器和激光接收器相对设置，使激光垂直透射穿过透明箱体和试验溶液。
进一步地，具体调节过程为：
控制试验溶液的介质种类和浑浊度不变，多次改变激光波长分别测取输出光强和接收光强并记录；
控制试验溶液的浑浊度和激光波长不变，多次改变介质种类分别测取输出光强和接收光强并记录；
控制试验溶液的介质种类和激光波长不变，多次改变试验溶液的浑浊度分别测取输出光强和接收光强并记录。
进一步地，依据进入透明箱体的透射率、进入溶液的透射率和在试验溶液内的通过长度，计算试验溶液的衰减参数。
与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：
能够在不同粒径(淤泥质、细砂质、黏土质、砾石质)水环境的水质浑浊度下，研究溶洞复杂水环境下(不同粒径、不同浑浊度)，不同波长段激光衰减性规律；实现复杂水环境中的激光最大探测距及最佳溶洞探测效果的研究，进而研发激光在液态溶洞环境下的更保真探测技术。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1、2中试验装置的示意图；
图2为本公开实施例1、2中试验装置的整体结构示意图。
图中：1、激光接收***，2、自动浊度调节实验台，3、激光发射***，2-1、浊度计、2-2、溶质盛放盒、2-3、丝杠传动装置，2-4、电脑终端。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
正如背景技术中所介绍的，现有技术中缺少探索激光在液态溶洞环境下的更保真探测技术，难以满足复杂水环境中的激光最大探测距及最佳溶洞探测效果，而对不同溶洞溶解物环境下的不同波长段激光衰减性规律进行试验研究；针对上述问题，本公开提出了岩溶区水环境激光衰减特性试验装置及方法。
实施例1
本公开的一种典型的实施方式中，如图1-图2所示，提出了岩溶区水环境激光衰减特性试验装置。
如图1所示，包括发射端和接收端，所述发射端和接收端之间设有调节箱，所述调节箱内容纳有试验溶液，所述调节箱用于调节试验溶液的介质和浊度，所述发射端输出不同波段的激光透射过调节箱及试验溶液后投射在接收端，所述接收端用于接收激光并测取其光强；
在本实施例中，所述的发射端采用不同波长段激光发射***3，调节箱采用不同充填介质下水质环境模拟***，接收端采用激光接收***1。
其中，不同充填介质下水质环境模拟***主要是一个自动浊度调节实验台2，如图2所示，自动浊度调节实验台2是由一个底部带有螺旋搅拌装置的透明箱体、一个电子浊度计2-1、一个溶质盛放盒2-2以及电脑终端2-4组成，基本功能是根据使用者在电脑终端上输入的目标浊度，自动控制溶质盛放盒中溶质的放出量，在底部螺旋搅拌之后，由透明箱体上的电子浊度计读出浑浊度，直至达到目标浊度为止；
所述的溶质盛放盒具体溶质盛放盒样式如图2所示，在其底部设有两排溶质投放口，每排溶质投放口设置四个，四个溶质投放口均匀布置，在每个溶质投放口下方设有一个自动遮挡装置，所述的自动遮挡装置包括一个遮挡板，所述的遮挡板的底部设有丝杠传动装置2-3，遮挡板通过丝杠传动装置驱动其运动，实现对溶质投放口的遮挡，所述的丝杠传动装置包括丝杠和滑块，所述的丝杠由电机驱动，电机与电脑终端相连，每个溶质投放口平时闭合，受到电机接收到控制指令时开启，其开口程度与开启时间都收到电脑终端严格控制。
在使用过程中，浊度计检测的浑浊度信息传输到电脑终端，电脑终端依据现有浊度与设定浊度的差值，控制溶质盛放盒中的溶质投放口开合程度，然后实时检测浊度信息，直到相应浊度达到设定值时，该口闭合。
在本实施例中，激光发射***输出的激光的波长可以选择为457nm、532nm、589nm、660nm、1064nm等波段。
实施例2
本公开的另一典型实施例中，如图1、图2所示，提供岩溶区水环境激光衰减特性试验方法，包括以下步骤：
步骤1、选取激光发射***来模拟不同波长段激光，包括蓝光、绿光及红激光，波长依次增大。选取典型激光波长如下：
| 激光类型 | 试验选取波长 |
| 蓝光激光器 | 457nm |
| 绿光激光器 | 532nm |
| 黄光激光器 | 589nm |
| 红光激光器 | 660nm |
| 红外激光器 | 1064nm |
步骤2、选取水质环境模拟***可模拟不同充填物质(淤泥质、黏土、粉细砂、块石土、泥砾石)下的不同浑浊度水质，当然，可以根据实际所要探测的岩溶区的情况进行选择，同时可用浊度仪检测每次水质的浑浊度指标，另外确保相同浑浊度不同充填物之间存在对照标本，并采用正交试验原理，共设计18次试验工况，如下表：
步骤3、激光衰减性测量***通过激光穿越不同的浑浊度、不同介质的液态环境后，使用测量工具——激光功率仪测量所得的光强，并与初始发射光强相比，计算比值。
步骤4、准备不同波长段激光发射器，并使用激光功率仪测量发出激光功率。
步骤5、依据之前所设计的工况，准备自动浊度调节实验台和足量自来水作为模拟环境，同时备下不同溶解物水质，包括：淤泥质、黏土、粉细砂、块石土、泥砾石，每次使用自动浊度调节实验台调制不同浑浊度水质，即有下表：
步骤6、对应不同工况，分别发射激光并接收之，再用激光功率仪测量发出激光与接收激光的强度。
步骤7、记录不同工况下发出激光与接收激光的光强，再求解对应的衰减系数，具体计算公式如下：设此时记录的数值分别为I1和I2，光从空气进入玻璃的透射率为T1，从玻璃进入水的透射率设为T2,设激光在样品池内水中的平均衰减系数为γ,水池的长度为L.则通过样品池后的光强为：
I2＝I1K1K2 2T1 2T2 2e-γL
其中，K1为分束镜的分光比，K2为样品池前后表面玻璃的衰减率。由菲涅耳公式可知,正入射情况
取玻璃折射率n1＝1.4985，水折射率n2＝1.3328，并设激光经过无水的样品池时衰减为千分之一,求解可以得到每种情况的衰减系数γ。
具体的实施步骤如下：
首先，选取长约5米，宽约2米的空旷场地，作为方法实验区域，从左至右依次摆置激光接收器、自动浊度调节实验台、激光发射器，并使其各自中轴线对齐，保持在同一直线上。其中，自动浊度调节实验台的尺寸大致为长2米，宽1米，高1米。
准备不同频段的激光发射器，分别是457nm、532nm、589nm、660nm、1064nm，如前所述，其所对应地分别为蓝光、绿光、黄光、红光、红外线。
激光垂直通过无水的样品池，并记录下发射器和接收器探测到的光强I1和I2，设分束镜的分光比为K1，样品池前后表面玻璃的衰减率为K2，在垂直入射的情况下玻璃和空气界面之间的透射率为T1，则经过无水样品池后的光强为：
I2＝I1K1K2 2T1 4
在光路不变的情况下，将样品池加满清水，并再次记录发射器和接收器所测得的光强，设此时记录的数值为I′1和I′2.光从空气进入玻璃的透射率仍为T1，从玻璃进入水的透射率设为T2,设激光在样品池内水中的平均衰减系数为γ,水池的长度为L.则通过样品池后的光强为：
I′2＝I′1K1K2 2T1 2T2 2e-γL
由菲涅耳公式可知,正入射情况
取玻璃折射率n1＝1.4985，水折射率n2＝1.3328，并设激光经过无水的样品池时衰减为千分之一,求解可以得到平均衰减系数为：
需要注意的是，在整个实验操作过程中，K1、K2、T1、T2都只是假定参数，并不需要实测，该步骤所需要的只是空气与清水两种条件下衰减系数的均值，而与其表达式中的具体参数无关，此处求出的γ与之后各种工况当中所计算得出的衰减系数只有对比效果，而不作为计算参数。
准备自动浊度调节实验台所盛液体的不同溶质，分别为自来水、淤泥质、黏土、粉细砂、块石土、泥砾石，为保证所需不同的浑浊度条件，必须确保准备足够的溶质成分，以免浊度控制不力而引起实验误差。
按照之前所设计的工况，逐一调整激光发射器的波段，对同一溶质不同浊度的液体进行激光照射与接收，并记录相应的功率。
保持同一波段的激光发射器不变，更换溶质盛放盒当中的溶质，尤其注意在调配浑浊度时，要保证不同溶质的液体中能达到固定相同的浑浊度，例如，可将固定的三个浑浊度等级定为2，5，8。使用者在自动浊度调节实验台的电脑终端上输入目标浊度，溶质盛放盒会自动控制溶质的放出量，在底部螺旋搅拌之后，由透明箱体上的电子浊度计读出浑浊度，直至达到目标浊度为止。
重复之前的步骤，记录同一波段光线在穿越盛满不同溶质液体的自动浊度调节实验台时，记录当液体达到固定相同浑浊度时激光发射与接收过程中的相应功率，并整理成具体数据。
求解对应的衰减系数，具体计算公式如下：设此时记录的数值分别为I1和I2，光从空气进入玻璃的透射率为T1，从玻璃进入水的透射率设为T2,设激光在样品池内水中的平均衰减系数为γ,水池的长度为L.则通过样品池后的光强为：
I2＝I1K1K2 2T1 2T2 2e-γL
其中，K1为分束镜的分光比，K2为样品池前后表面玻璃的衰减率。由菲涅耳公式可知,正入射情况
取玻璃折射率n1＝1.4985，水折射率n2＝1.3328，并设激光经过无水的样品池时衰减为千分之一,求解可以得到每种情况的衰减系数γ。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.岩溶区水环境激光衰减特性试验装置，其特征在于，包括发射端和接收端，所述发射端和接收端之间设有调节箱，所述调节箱内容纳有试验溶液，所述调节箱用于调节试验溶液的介质和浊度，所述发射端输出不同波段的激光透射过调节箱及试验溶液后投射在接收端，所述接收端用于接收激光并测取其光强。
2.如权利要求1所述的岩溶区水环境激光衰减特性试验装置，其特征在于，所述发射端配合有功率仪，用于控制并测定发射端输出激光的光强。
3.如权利要求1所述的岩溶区水环境激光衰减特性试验装置，其特征在于，所述调节箱包括透明箱体、调节机构和浊度仪，所述调节机构和浊度仪布置在透明箱体内，所述透明箱体用于容纳试验溶液，所述浊度仪用于实时测取试验溶液的浊度。
4.如权利要求3所述的岩溶区水环境激光衰减特性试验装置，其特征在于，所述调节机构包括溶质盒和搅拌机构，所述溶质盒内容纳有与试验溶液相同的介质，用于释放介质调整试验溶液的浊度，所述搅拌机构用于在外部驱动作用下对试验溶液进行搅拌，使介质均匀分布。
5.如权利要求1所述的岩溶区水环境激光衰减特性试验装置，其特征在于，所述调节箱、接收端与发射端分别与控制器电联，所述控制器用于获取外部指令调节发射端的输出参数和调节箱内试验溶液的浊度。
6.岩溶区水环境激光衰减特性试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
在透明箱体的两侧分别布置激光发射器和激光接收器；
向透明箱体内注入试验溶液，激光发射器输出激光，透射穿过透明箱体和试验溶液后透射在激光接收器上，记录激光发射器的输出光强和激光接收器的接收光强；采用控制变量法，调整激光波长、介质种类和浑浊度，分别测取输出光强和接收光强；
求解试验溶液的衰减参数。
7.如权利要求6所述的岩溶区水环境激光衰减特性试验方法，其特征在于，在注入试验溶液前，预先调整激光发射器、激光接收器和透明箱体的位置。
8.如权利要求7所述的岩溶区水环境激光衰减特性试验方法，其特征在于，所述激光发射器和激光接收器相对设置，使激光垂直透射穿过透明箱体和试验溶液。
9.如权利要求6所述的岩溶区水环境激光衰减特性试验方法，其特征在于，具体调节过程为：
控制试验溶液的介质种类和浑浊度不变，多次改变激光波长分别测取输出光强和接收光强并记录；
控制试验溶液的浑浊度和激光波长不变，多次改变介质种类分别测取输出光强和接收光强并记录；
控制试验溶液的介质种类和激光波长不变，多次改变试验溶液的浑浊度分别测取输出光强和接收光强并记录。
10.如权利要求6所述的岩溶区水环境激光衰减特性试验方法，其特征在于，依据进入透明箱体的透射率、进入溶液的透射率和在试验溶液内的通过长度，计算试验溶液的衰减参数。
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