专利名称：一种快速测量海水温度的方法
技术领域：
本发明属于海洋监测领域，涉及一种基于激光相干布里渊散射快速测量海水温度的方法。
背景技术：
近年来利用激光在海水中的布里渊散射来监测海洋的布里渊雷达技术因其可机载对次表层海水温度、盐度和水中声速分布等进行大面积、快速测量，具有重要的经济、社会和军事应用价值而受到世界海洋监测领域的普遍重视。与海水的拉曼散射相比较，布里渊散射频移量较小，入射光和散射光可以同处海水透射窗口，雷达系统探测能力高，且不易受背景辐射影响，抗干扰性强，测量精度高。由于布里渊散射与海水水分子的热布朗运动有关，通过检测布里渊散射频移量，推演得到海水温度。扫描F-P干涉仪虽然可以精确测量布里渊散射光谱，但由于目前能够实际使用的大功率脉冲激光器的重复频率很低，导致干涉仪的扫描周期长达100s，因此无法实现实时探测。且干涉仪的接收立体角非常小，对入射光的平行度提出很高要求；干涉仪抗震能力差，无法用于现场实验中。1999年《中国激光》第26卷第4期发表的《水中布里渊散射的边缘探测方法》中提出利用碘分子吸收池陡峭的吸收线吸收瑞利散射回波，透射布里渊峰，使得布里渊光谱的微小位置变化转化为吸收池后光强的很大变化。边缘探测技术用于频率测量具有很高的测量精度和灵敏度，可解决F-P干涉仪接收立体角小和扫描时间长，抗震动能力差的问题，但为了控制分子吸收线型，需要使用复杂的温度和压力控制系统，且对激光器的频率稳定性提出了非常苛刻的要求。北京师范大学的刘大禾在发表的《用F-P标准具和ICCD探测水中的布里渊散射信号》文章中提出一种利用固体F-P标准具和ICCD来探测水的布里渊散射光谱的方法(2008年《东北师大学报》(自然科学版)，第40卷第3期)。但是目前ICCD的像素尺寸较大，帧频较低，对布里渊散射谱的测量误差和测量速度还有一定限制，且价格非常昂贵。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种操作简单，测试速度快，稳定性高，系统成本低的快速测量海水温度的方法。本发明解决上述技术问题采用的技术方案是:一种快速测量海水温度的方法，其特征是:其包括以下步骤:首先将种子注入式单频脉冲激光器发射的S偏振态脉冲激光经偏振分束片分束，反射的激光束作为测试激光束，透射的激光束作为参考激光束；而后将测试激光束经过四分之一波片后变为圆偏振光，经过聚焦透镜组聚焦在被测海水中，使被测海水产生受激布里渊散射；被测海水的受激布里渊散射光信号再次通过四分之一波片后，偏振方向变为P方向，经过偏振分束片透射后入射到宽带探测器的光敏面上；同时参考激光束通过四分之一波片后变为圆偏振光，经耦合透镜、光纤延时器后由聚焦透镜聚焦到已知温度的参考海水中，使参考海水产生受激布里渊散射；参考海水的受激布里渊散射光信号再次通过聚焦透镜、光纤延时器、耦合透镜和四分之一波片后，偏振方向变为P方向，经过偏振分束片反射到宽带探测器的光敏面上；调节光纤延时器延时时间，使参考激光与测试激光的受激布里渊散射光信号叠加干涉产生差频光信号；通过宽带探测器将差频光信号转变为电信号，并输入宽带示波器测量出差频频率；最后，根据差频频率与被测海水和参考海水间温度差的关系，通过计算机进行数据处理得到被测海水和已知温度的参考海水的温度差值，进而得到被测海水的温度。本发明基于激光相干布里渊散射测量海水温度，激光器发射的单频脉冲绿光经过分束片分为一束参考激光束和一束测试激光束，参考激光束入射到近处已知温度的参考海水中；测试激光束入射到远处的被测海水中。调节激光输出能量大于海水的受激布里渊散射阈值，参考海水与被测海水的受激布里渊散射光信号沿入射方向反向传输，经过分束片合束后在宽带探测器光敏面相干产生差频光信号，差频频率与参考海水和被测海水的温度差有关。宽带探测器将差频光信号转化为电信号并输入宽带示波器，测量出差频频率，经过数据处理计算出被测海水与参考海水的温度差，进而计算出被测海水的温度。对照现有技术，本发明激光相干布里渊散射测量海水的布里渊散射频移，反演海水温度，替代了目前一般采用的扫描F-P干涉仪，或基于溴、碘分子吸收池的边缘检测技术，以及利用ICCD的成像技术，既无需受扫描F-P干涉仪的扫描周期长、接收立体角小、抗震能力差等限制，又无需因溴、碘分子吸收池光谱吸收稳定性差而对溴、碘蒸汽进行复杂的恒温恒压控制，也无需对激光器的频率稳定性提出过于苛刻的要求，更无需受ICCD的大像素尺寸、低帧频而引起的测量误差与速度限制。本发明操作简单、便利，测试速度快，稳定性高，系统成本低，是一种理想的快速测量海水温度的方法。
图1是本发明组成器件和测量步骤示意图。图中的标号为:1.种子注入式单频脉冲激光器，2.偏振分束片，3.四分之一波片，4.聚焦透镜组，5.被测海水，6.四分之一波片，7.耦合透镜，8.光纤延时器，9.聚焦透镜，10.参考海水，11.宽带探测器，12.宽带示波器，13.计算机。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的描述。如图1所示，一种基于激光布里渊散射快速测量海水温度的方法，首先将种子注入式单频脉冲激光器(I)发射的S偏振态脉冲激光经偏振分束片(2)分束。所涉种子注入式单频脉冲激光器(I)为种子注入倍频Nd = YAG激光器，输出单频532nm激光，最大输出能量1J，线宽90MHz，脉冲宽度10 ns，重复频率10Hz。反射的激光束作为测试激光束，透射的激光束作为参考激光束。偏振分束片(2)与输出激光光轴夹角为45度，表面镀有偏振介质膜，对于S方向偏振光反射率为90%,透射率为10%。而后将测试激光束经过四分之一波片
(3)后变为圆偏振光，经过聚焦透镜组(4)聚焦在被测海水(5)中，使被测海水产生受激布里渊散射。四分之一波片(3)和聚焦透镜组(4)与激光光轴垂直放置，聚焦透镜组(4)由一短焦距负透镜和一长焦距正透镜构成。调节两透镜间间距，可以改变聚焦透镜组(4)的焦距，使测试激光束聚焦在不同水深位置，实现不同水深处水温测量。被测海水的受激布里渊散射光信号再次通过四分之一波片(3)后，偏振方向变为P方向，经过偏振分束片(2)透射后入射到宽带探测器(11)的光敏面上。参考激光束通过四分之一波片(6)后变为圆偏振光，经耦合透镜(7)、光纤延时器(8)后由聚焦透镜(9)聚焦到已知温度的参考海水(10)中，使参考海水产生受激布里渊散射。四分之一波片(6)、耦合透镜(7)和聚焦透镜(9)与激光光轴垂直放置，参考水池(10)的入射面法线与光轴有2°左右的夹角，使反射光与参考海水的受激布里渊散射光不重合。受激布里渊散射光信号再次通过聚焦透镜(9)、光纤延时器(8)、耦合透镜(7)和四分之一波片(6)后，偏振方向变为P方向，经过偏振分束片(2)反射到宽带探测器(11)的光敏面上；调节调节延时器(8)的延时时间，使测试光束和参考光束的布里渊散射光信号在宽带探测器(11)光敏面上叠加干涉产生差频光信号，经宽带探测器(11)接收转换为差频电信号，输入宽带示波器测量出其频率。最后，根据差频频率与被测海水和参考海水间温度差的关系，通过计算机进行数据处理得到被测海水和已知温度的参考海水的温度差值，进而得到被测海水的温度。记录延时器(8)的延时时间，计算水中所测位置的深度。本发明所涉及的器件均为通用器件，包括种子注入式单频脉冲激光器(I)，偏振分束片(2)，四分之一波片(3)、(6)，聚焦透镜组(4)，耦合透镜(7)，光纤延时器(8)，聚焦透镜(9)，宽带探测器(11)，宽带示波器(12)，计算机(13)，在此不再详细介绍。本发明所涉及的宽带探测器(11)和宽带示波器(12)的输入带宽高于1GHz，以保证测量的差频信号的准确性。计算机(13)作为数据处理和显示装置，通过数据处理，准确得到被测海水温度，测量精度高。
权利要求
1.一种快速测量海水温度的方法，其特征是:其包括以下步骤:首先将种子注入式单频脉冲激光器发射的S偏振态脉冲激光经偏振分束片分束，反射的激光束作为测试激光束，透射的激光束作为参考激光束；而后将测试激光束经过四分之一波片后变为圆偏振光，经过聚焦透镜组聚焦在被测海水中，使被测海水产生受激布里渊散射；被测海水的受激布里渊散射光信号再次通过四分之一波片后，偏振方向变为P方向，经过偏振分束片透射后入射到宽带探测器的光敏面上；同时参考激光束通过四分之一波片后变为圆偏振光，经耦合透镜、光纤延时器后由聚焦透镜聚焦到已知温度的参考海水中，使参考海水产生受激布里渊散射；参考海水的受激布里渊散射光信号再次通过聚焦透镜、光纤延时器、耦合透镜和四分之一波片后，偏振方向变为P方向，经过偏振分束片反射到宽带探测器的光敏面上；调节光纤延时器延时时间，使参考激光与测试激光的布里渊散射光信号叠加干涉产生差频光信号；通过宽带探测器将差频光信号转变为电信号，并输入宽带示波器测量出差频频率；最后，根据差频频率与被测海水和参考海水间温度差的关系，通过计算机进行数据处理得到被测海水和已知温度的参考海水的温度差值，进而得到被测海水的温度。
全文摘要
本发明涉及一种快速测量海水温度的方法，将种子注入式单频脉冲激光器发射的脉冲绿光经过分束片分为参考激光束和测试激光束，参考激光束入射到近处已知温度的参考海水中；测试激光束入射到远处的被测海水中；调节激光输出能量大于海水的受激布里渊散射阈值，参考海水与被测海水的受激布里渊散射光信号沿入射方向反向传输，经过分束片合束后在宽带探测器光敏面相干产生差频光信号，差频频率与参考海水和被测海水的温度差有关。宽带探测器将差频光信号转化为电信号并输入宽带示波器，测量出差频频率，经过数据处理计算出被测海水与参考海水的温度差，进而计算出被测海水的温度。本发明操作简单、便利，测试速度快，稳定性高，系统成本低。
文档编号G01K11/32GK103175629SQ201310076798
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月11日 优先权日2013年3月11日
发明者田兆硕, 任秀云, 吕志伟, 崔子浩, 徐天赐, 付石友 申请人:哈尔滨工业大学(威海)