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

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
7.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。


技术实现要素：

8.本发明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。
9.本发明的设计思路是：
10.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。
11.为实现上述发明目的、完成上述发明思路，本发明采用的技术方案为：
12.一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：
13.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；
14.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；
15.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；
16.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；
17.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]
本发明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；
[0042]
所述信号处理系统6为基于单片机、fpga、dps、arm开发的信号处理电路系统，或数据采集卡、示波器、计算机；
[0043]
所述信号源9为商业级或工业级信号发生器，或基于单片机、fpga、dsp、arm开发的具有信号输出能力的电路系统；
[0044]
所述射频信号放大器10为单独的模块或电路板，或与信号源集成的一体化系统；
[0045]
所述激光调制器11为电光、声光、液晶调制器，或半导体光开关、机械式光开关、mems光开关。
[0046]
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
[0047]
1、可进行小尺度湍流流速的探测：激光的准直性好，探测波束宽度将被有效压缩且无旁波干扰，能够实现更高的水平分辨率，从而可实现对湍流的有效观测。
[0048]
2、可应用于深海环境：激光的波长更短，其回波信号中不仅包括悬浮颗粒物引起的米散射回波，还包含由水分子引起的瑞利散射回波，即使在深海悬浮颗粒物浓度极低的情况下，也能够接收到散射回波信号，从而能够实现对深海湍流水体剖面流速的有效探测。
附图说明
[0049]
图1为本发明基于激光多普勒效应的湍流水体剖面流速探测装置实施例一的结构原理图；
[0050]
附图标记说明如下：
[0051]
1-激光器，2-激光调制系统，3-反射镜，4-激光收发系统，5-光电探测器，6-信号处理系统，7-数据存储系统，8-待测水体，9-信号源，10-射频信号放大器，11-激光调制器，
121-第一激光分束器，122-第二激光分束器，123-第三激光分束器，13-激光传输光路，14-电信号传输线。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图和具体实施方式对本发明提出的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作进一步详细说明。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0053]
实施例一
[0054]
一种基于激光多普勒效应的湍流水体剖面流速的探测装置，如图1，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、信号源9、射频信号放大器10、激光调制器11、反射镜3、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。
[0055]
其中，第一激光分束器121、第二激光分束器122、第三激光分束器123分光比例为1:99至99:1。第一激光分束器121、第二激光分束器122、第三激光分束器123可以选择平板分束镜，也可以选择分束立方体或分束棱镜，此时激光传输光路13为激光在空间中的传输路径。
[0056]
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，透射至激光调制器11，被调制为脉冲光束；另一束反射光记为参考光束，传输至反射镜3；反射镜3位于第一激光分束器121的反射光的传输光路上，将参考光束反射至第三激光分束器123。
[0057]
第二激光分束器122和激光收发系统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将第二激光分束器122透射的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，然后通过第二激光分束器122将后向散射回波光束反射至第三激光分束器123。
[0058]
经由反射镜3反射至第三激光分束器123的参考光束和经由第二激光分束器122反射至第三激光分束器123的后向散射回波光束发生拍频干涉，产生拍频干涉信号。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。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。
[0059]
信号源9、射频信号放大器10及激光调制器11组成激光调制系统2，依次通过电信号传输线14连接。激光调制系统2用于将测量光束调制为脉冲形式。
[0060]
信号源9用于生成供激光调制器正常工作的调制信号，是成熟的商业级或工业级信号发生器，或基于单片机、fpga、dsp、arm等开发的具有信号输出能力的电路系统；射频信号放大器10用于对信号源9发出的信号功率进行放大，满足激光调制器11的使用要求，是单独的模块或电路板，或与信号源集成的一体化系统；激光调制器11用于对连续激光信号进行调制，使其以脉冲形式工作，激光调制器11可以选择电光、声光及液晶调制器，或半导体
光开关、机械式光开关和mems光开关等，本实施例选择电光调制器及机械式光开关。
[0061]
光电探测器5、信号处理系统6和数据存储系统7依次通过电信号传输线14连接。光电探测器5用于接收激光收发系统4接收的水体后向散射光与系统内传输的连续信号产生的拍频干涉信号，并将拍频干涉信号转换为模拟电信号，为光电二极管、光电倍增管、条纹相机或基于ccd和cmos的数字相机等能够将光信号转换为电信号的装置，本实施例选择光电探测器或光电倍增管。信号处理系统6用于接收光电探测器5输出的模拟电信号，并通过提取多普勒频移求得各水体剖面的流速，为基于单片机、fpga、dps和arm等开发的信号处理电路系统，或示波器或计算机等能够进行数字信号采集和处理的装置，本实施例选择基于fpga、dsp的嵌入式可编程系统，或数据采集卡、示波器。数据存储系统7用于存储信号处理系统6所计算得到的水体剖面流速信息。
[0062]
本实施例提供的探测装置工作原理为：
[0063]
激光器1发出一束波连续激光信号，由第一激光分束器121分为两束，将经过激光调制系统2的光束记为测量光束，另一光束记为参考光束。激光调制器11将测量光束调制为脉冲光束，脉冲光束经由第二激光分束器122分束后被激光收发系统4发出，照射向待测水体8；参考光束经由反射镜3反射至第三激光分束器123。
[0064]
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，由激光收发系统4接收，并经由第二激光分束器122传输至第三激光分束器123，与通过第三激光分束器123的参考光束发生拍频干涉，产生拍频干涉信号，拍频干涉信号被光电探测器5接收。
[0065]
光电探测器5将接收到的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。信号处理系统6对待测水体8各剖面产生的后向散射回波光束与参考光束干涉后形成的模拟电信号进行多普勒频移的提取，通过计算可得到待测水体8的各剖面流速，并将流速探测数据传输至数据存储系统7进行存储。
[0066]
基于上述探测装置，本实施例还提供一种基于激光多普勒效应的湍流水体剖面流速的探测方法，包括以下步骤：
[0067]
步骤1、激光器1发出一束波长为460nm-550nm的连续激光信号，由第一激光分束器121分为两束，将经过激光调制器11的光束记为测量光束，另一光束记为参考光束；
[0068]
步骤2、激光调制器11将测量光束调制为脉冲光束，脉冲光束经由第二激光分束器122分束后被激光收发系统4发出，照射向待测水体8；
[0069]
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，由激光收发系统4接收，并经由第二激光分束器122传输至第三激光分束器123，与通过第三激光分束器123的参考光束发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；
[0070]
步骤4、光电探测器5接收拍频干涉信号，并将其转换为模拟电信号后传输至信号处理系统6；
[0071]
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：
[0072][0073]
其中，v为各剖面流速；
[0074]
f为各剖面多普勒频移；
[0075]
λ为激光器1发出的连续激光信号波长；
[0076]
步骤6、信号处理系统6计算得到待测水体8各剖面流速v后，将流速探测数据传输至数据存储系统7进行存储。
[0077]
实施例二
[0078]
本实施例提供的探测装置与实施例一相比：不包含反射镜3，第一激光分束器121、第二激光分束器122、第三激光分束器123可以选择光纤耦合器，也可以为光纤环形器，此时激光传输光路13为激光在光纤中的传输路径，其载体为单模光纤。
[0079]
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。
[0080]
测量光束通过单模光纤传输至激光调制器11，被调制为脉冲光束后通过第二激光分束器122由激光收发系统4发送至待测水体8；参考光束通过单模光纤被直接传输至第三激光分束器123。
[0081]
激光收发系统4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传输至第二激光分束器122，第二激光分束器122将后向散射回波光束分束后传输至第三激光分束器123。参考光束与后向散射回波光束发生拍频干涉，产生拍频干涉信号。
[0082]
本实施例其他部分结构、工作原理以及探测方法与实施例一相同。
[0083]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。