1.本发明属于水下温度遥感领域，尤其涉及一种基于拉曼光谱水下温度遥测系统。
背景技术：2.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。
3.海水水下温度测量对研究海洋环境和气候监测及自然灾害的早期预报等十分重要。由于蓝绿激光在水中良好的透射性，用于海水水下温度的遥感测量可以快速获取其水平和垂直分布，具有浮标等定点站位测量和微波辐射或红外辐射等表面温度测量方式不可比拟的优点。目前国内外很多研究人员对拉曼散射海水温度激光遥感测量技术进行了广泛深入的研究，但是海水拉曼散射受波浪、外界光线、水下悬浮物质、cdom荧光散射等因素影响信号强度波动大，导致水温测量误差较大。虽然现有根据海水拉曼光谱反演海水温度的方法中已经采用光谱强度归一化的方式降低拉曼光谱信号强度波动对水温测量结果的影响，但是尚不能很好地消除所述外界瞬态噪声干扰信号对水温测量精度的影响，严重限制了拉曼散射海水温度激光遥感测量技术的实际应用。迄今为止，尚未见针对拉曼光谱受瞬态噪声干扰信号强度波动的相关滤波算法报道。
技术实现要素：4.为解决上述技术问题，本发明提出一种基于拉曼光谱水下温度遥测系统，该系统包括：
5.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。
6.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。
7.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。
8.滤波部件，用于基于频数分布原理拉曼光谱信号进行滤波。
9.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
压力。
10.可选的，所述滤波部件，具体包括：采集单元、分区单元、分组单元和计算单元。
11.可选的，所述采集单元，用于连续采集多组拉曼光谱数据i1(λ)、i2(λ)
……
，分别求得各组光谱的峰值强度iimax，把连续n个iimax值看成一个队列，存入数组ix。
12.可选的，所述分区单元，用于将数组ix划分为m个区间，根据数组ix中数据的最大值ixmax和最小值ixmin来确定分区间距δix。
13.可选的，所述分组单元，用于按照分区对数组ix中的每个元素进行分组，若ix(i)属于指定第j个区间，则函数γj[ix(i)]值为1，否则函数γj[ix(i)]值为0。
[0014]
可选的，所述计算单元，用于根据所述频数分布统计结果求出频数最大值fmax所处的区间编号k，并求得该区间对应的中间值ixm(k)，作为第n+1组拉曼光谱筛选的参照值。
[0015]
可选的，所述计算单元，还用于设定相邻两组拉曼光谱强度波动允许的最大偏差值为a，若第n+1组拉曼光谱数据的峰值强度满足ixm(k)-a＜i(n+1)max＜ixm(k)+a，则认为这一组拉曼光谱有效，否则认为这一组拉曼光谱无效。
[0016]
可选的，两条谱线信息的积分吸光度在同一环境中测得，并且认为物质的摩尔浓度，压力，温度和光程长度相同，则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，所述计算海水压力，具体通过以下公式实现：
[0019][0020]
本发明的技术方案能够具有实现方便，滤波效果明显，实时性好的优点，可有效排除瞬态噪声信号的干扰，提高拉曼散射海水温度激光遥感测量系统的抗干扰性和水温测量精度。
[0021]
本发明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发明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发明的一些实施例，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是基于拉曼光谱水下温度遥测系统示意图；
[0024]
图2是拉曼光谱峰值强度的频数分布原理示意图。
具体实施方式
[0025]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0026]
如图1所示，一种基于拉曼光谱水下温度遥测系统，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-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-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里渊散射信号，具有良好的实时性。
[0032]
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。
[0033]
通过像增强器增强后的二维拉曼光谱经成像透镜在面阵ccd光敏面上成像，面阵ccd不同列像素对应记录不同波长散射光的光强，将其转化成二维电信号，经模数转换后输入信息处理终端进行数据处理生成光谱图，基于双波段面积比的水温反演方法与频数分布原理的滤波方法得到待测水域的温度，通过频数分布原理的滤波方法，提高水下温度遥感系统的抗干扰性，改进海水温度的激光遥感测量精度，进一步提出了基于频数分布原理的滤波方法，有效排除了瞬态噪声信号的干扰，提高了实时海水测温精度。
[0034]
滤波部件，用于基于频数分布原理拉曼光谱信号进行滤波。
[0035]
具体包括：
[0036]
采集单元，用于连续采集多组拉曼光谱数据i1(λ)、i2(λ)
……
，分别求得各组光谱的峰值强度iimax，把连续n个iimax值看成一个队列，存入数组ix；
[0037]
ix(i)＝[i1max i2max
…
inmax],i＝1,2,
…n[0038]
上式中ix(i)是数组ix的第i个元素。
[0039]
分区单元，用于将数组ix划分为m个区间，根据数组ix中数据的最大值ixmax和最小值ixmin来确定分区间距δix；
[0040]
δix＝ixmax-ixminm δix＝ixmax-ixminm
[0041]
上式中ixmax是输入数组ix中的最大强度值，ixmin是数组ix中的最小强度值，每个区间的中间值可以表示为：
[0042]
ixm(j)＝ixmin-0.5δix+j
·
δix,j＝1,2,
…m[0043]
上式中ixm(j)是第j个区间的中间值。
[0044]
分组单元，用于按照分区对数组ix中的每个元素进行分组，若ix(i)属于指定第j个区间，则函数γj[ix(i)]值为1，否则函数γj[ix(i)]值为0，即
[0045][0046]
上式中γj[ix(i)]反映数组ix中第i个元素是否属于第j个分区的情况。统计各分区区间的频数fj；
[0047]
fj＝σi＝1nγj[ix(i)],j＝1,2...m fj＝σi＝1nγj[ix(i)],j＝1,2...m
[0048]
上式中fj是数组ix中每个元素在第j个分区区间的频数。频数分布统计结果直接反映拉曼光谱峰值强度的变化情况。
[0049]
计算单元，用于根据所述频数分布统计结果求出频数最大值fmax所处的区间编号k，并求得该区间对应的中间值ixm(k)，作为第n+1组拉曼光谱筛选的参照值。
[0050]
计算单元，还用于设定相邻两组拉曼光谱强度波动允许的最大偏差值为a，若第n+1组拉曼光谱数据的峰值强度满足ixm(k)-a＜i(n+1)max＜ixm(k)+a，则认为这一组拉曼光谱有效，进行光谱预处理后存入寄存器用于拉曼光谱叠加，否则认为这一组拉曼光谱无效，光谱数据舍弃，数组ix的长度固定为n，每采集一组新的拉曼光谱数据并求得其对应的峰值强度iimax后都放在队列尾部，并扔掉原来队列首部的一个峰值强度数据，保持这n个数据始终是最近的数据，当寄存器内有效拉曼光谱数据达到l组以后，将l组预处理后的拉曼光谱进行叠加。
[0051]
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、海水温度和海水压力。
[0052]
首先，通过以下公式，计算得到积分吸光度：
[0053][0054]
其中，a(v)表示海水分子的积分吸光度，it(v)表示出射光强度，i0(v)表示入射光强度，α(v)表示海水分子吸收系数，p表示海水系统总压强，c表示测量路径上海水平均浓度，s(t)表示海水分子吸收线线强，l表示测量路径的光程长度，为吸收线线形函数，该函数为归一化函数，其函数积分为1。
[0055]
在计算海水浓度时，根据积分吸光度、海水压力、测量光程长度、吸收线线强，可计算得到海水浓度。具体通过以下公式计算。
[0056]
在计算海水温度时，由于热力学平衡态下，分子能级的粒子数布局满足玻尔兹曼分布，吸收光谱的线强与对应能级跃迁的粒子数目以及跃迁概率有关，就特定谱线信息而言，其光谱线强的大小只与温度有关。因此利用同一海水分子的两个谱线信息，就可以在一定温度范围内反映所处环境的温度。由于吸收光谱的积分吸光度与压力、谱线信息的线强、物质的摩尔浓度和光程长度密切相关，两条谱线信息的积分吸光度在同一环境中测得，并且认为物质的摩尔浓度，压力，温度和光程长度相同，则两个吸收峰的积分吸光度之比可以
简化为线强之比，即：
[0057][0058][0059]
其中，a1、a2分别是两个谱线信息的积分吸光度，e
″
1、e
″
2分别为两个谱线的低跃迁能级的能量，s1(t0)、s2(t0)分别是两个谱线在参考温度t0时的谱线线强，kb为玻尔兹曼常数，c为真空中光速。在实践中，参考温度t0时的谱线线强s(t0)可以通过光谱数据库(hitran或hitemp)查询得到，或者由实验测量获得。
[0060]
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，可以计算海水压力，具体通过以下公式实现：
[0061][0062]
δvc＝p∑jxjγj(t)＝pxo2γo2+pxairγair
[0063]
其中，δvc表示洛伦兹线宽，a表示海水的积分吸光度。
[0064]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0065]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。