專利名稱：用脈沖激光實時測量海水渾濁度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電技術(shù)和海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景海水是一種相對透明的介質(zhì)，不同環(huán)境的水所含可溶有機物、懸移質(zhì)、 浮游生物等復(fù)雜成分不同。這些物質(zhì)對光較強的吸收和散射造成了光能量 衰減和傳播距離的縮短，體現(xiàn)為總的衰減系數(shù)"=fl + 6 ("為總衰減系數(shù)，a為吸收系數(shù)，6為散射系數(shù))，衰減系數(shù)的大小直接反映了水的渾濁度。本發(fā)明克服了目前的濁度計需要有水下光學(xué)探測儀器的接觸式探測 的限制，采用無接觸式探測，提出了一種可以在大范圍實際水環(huán)境中進行 實時測量，并可在嚴(yán)重污染及惡劣環(huán)境中進行探測。發(fā)明內(nèi)容一種可以在大范圍實際水環(huán)境中進行實時、無接觸測量水的渾濁度的 新技術(shù)。一、本發(fā)明的工作原理種子注入高能脈沖YAG激光器發(fā)出的532nm窄線寬高能激光束入射 到水中發(fā)生布里淵散射，信號接收器同步監(jiān)測入射激光強度/,與布里淵散 射信號強度/,的關(guān)系，由預(yù)先建立的入射光強、布里淵散射光強及水的衰 減系數(shù)(/,，/,，a)的數(shù)據(jù)參考系統(tǒng)確定水的衰減系數(shù)，再由水的衰減系數(shù)與 濁度之間的關(guān)系確定水的渾濁度。下面結(jié)合附圖l，詳細(xì)敘述本發(fā)明的工作原理。① 激光器產(chǎn)生的垂直偏振的532nm激光束經(jīng)1/2波片后變?yōu)樗狡瘢?使激光束能量的絕大部分可以通過偏振耦合鏡BS， 一小部分被反射。 被BS反射的激光強度/,由探測器1接收，禾U用已知BS的透射/反射能 量比可以實時監(jiān)測激光束的透射強度/, 。 /,向前傳播通過1/4波片變?yōu)?圓偏振光，然后被m。反射，此反射光將先后用于進行1和2兩個實驗。② 實驗1的進行。關(guān)閉種子激光器，此時，脈沖YAG激光器輸出寬帶激光束(線寬為 30GHz)。經(jīng)過m。后的激光束再經(jīng)m,反射進入實驗水池。探測器3接 收激光束經(jīng)過水池后得到的透過光強/3 。改變?nèi)肷浼す鈴姸?,則/3也隨 之變化。為消除各個玻璃表面反射及玻璃材料吸收的影響，我們采用 了下面的實驗方案。首先讓激光垂直通過無水的樣品池，并記錄下探 測器1和3探測到的光強/,和/;。設(shè)偏振耦合鏡BS的透射/反射能量 比為&，樣品池前后兩塊玻璃的衰減率為^，在垂直入射的情況下玻 璃和空氣界面之間的透射率為7;，則經(jīng)過無水樣品池后的光強為<formula>formula see original document page 4</formula>........................ (1)然后，在光路不變的情況下，將樣品池加滿水，并再次記錄探測器1和3所測得的光強，設(shè)此時記錄的數(shù)值為/;和/;。光從空氣進入玻璃的透射率仍為r，，從玻璃進入水的透射率設(shè)為K，設(shè)激光在樣品池內(nèi)水中的 平均衰減系數(shù)為oc，水池的長度/。則通過樣品池后的光強為<formula>formula see original document page 4</formula> ........................ (2)由菲涅耳公式可知，正入射情況下7^ = 7^1。取玻璃折射率",=1.4985，水折射率"2 =1.3328，并設(shè)激光經(jīng)過無水的樣品池時衰減 為千分之一，求解(1)和(2)式可以得到平均衰減系數(shù)為<formula>formula see original document page 5</formula>③實驗2的進行。打開種子激光器，此時，脈沖YAG激光器輸出窄帶激光束(線寬為 90MHz)。去掉M^經(jīng)M。反射的激光束被M,反射，并經(jīng)A、 ^透鏡組 會聚到實驗水池中固定深度z。處。貝U，該處發(fā)生受激布里淵散射。由 于受激布里淵散射只在背向發(fā)生，散射光沿原路返回，經(jīng)過1/4波片 后變成垂直偏振光，使布里淵散射光的絕大部分光強/,被BS反射，并 由探測器2接收。改變?nèi)肷浼す獾膹姸?,，受激布里淵散射信號/,也隨 之發(fā)生變化，通過探測器l、 2的同步監(jiān)測可獲得入射激光強度與布里 淵散射信號的關(guān)系。 考慮到整個實驗過程水質(zhì)可能發(fā)生緩慢變化，為了減小測量誤差，需 要馬上重復(fù)步驟②，再次測量水的衰減系數(shù)。對前后兩次測量得到的 衰減系數(shù)作平均，最終求得水的衰減系數(shù)"。此"值與步驟③所得/,與 /s的關(guān)系一起建立一組數(shù)據(jù)(/, ,/s,")。⑤ 選取不同衰減系數(shù)"的水，并重復(fù)進行步驟① ④的實驗測量，從而 得到很多組(/,，/,，")數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)建立一套數(shù)據(jù)參考系統(tǒng)。這套 數(shù)據(jù)參考系統(tǒng)提供了所測光強與水的衰減系數(shù)之間的關(guān)系。(此關(guān)系可 以用數(shù)據(jù)表格或數(shù)據(jù)曲線的形式給出)。⑥ 根據(jù)已有的海水渾濁度的數(shù)據(jù)，建立衰減系數(shù)與渾濁度的關(guān)系。(此關(guān) 系可以用數(shù)據(jù)表格或數(shù)據(jù)曲線的形式給出)。⑦ 改變步驟③中光束的聚焦位置，重復(fù)步驟① ⑥的實驗測量，可以得 到不同深度的數(shù)據(jù)參考系統(tǒng)。二、本發(fā)明的實現(xiàn)方法下面結(jié)合附圖2說明本發(fā)明的實現(xiàn)方法。由原理可知，只要同步測得了激光器的輸出強度和背向受激布里淵散 射信號強度，利用已得到的(/,，人,《)數(shù)據(jù)參考系統(tǒng)和衰減系數(shù)與渾濁度的 關(guān)系，就可以得到海水的渾濁度。整個實施過程包括以下各步。① 將種子注入脈沖YAG激光器產(chǎn)生的窄帶激光束射入海水中。② 該激光束為垂直偏振的532nm激光，經(jīng)1/2波片后變?yōu)樗狡?，?激光束能量的絕大部分可以通過偏振耦合鏡BS， 一小部分被反射。被 BS反射的激光強度/,由探測器1接收，禾U用已知BS的透射/反射能量 比可以實時監(jiān)測激光束的透射強度/,。 /,向前傳播通過1/4波片變?yōu)?圓偏振光，并經(jīng)A、 ^透鏡組會聚到海水中某一深度z。處。貝ij，該處 發(fā)生受激布里淵散射。由于受激布里淵散射只在背向發(fā)生，散射光沿 原路返回，經(jīng)過1/4波片后變成垂直偏振光，使布里淵散射光的絕大 部分光強/J皮BS反射，并由探測器2接收。③ 由實際測量得到的/,與/,，與預(yù)先建立的同一深度的(/,，/,，")濁度計數(shù) 據(jù)參考系統(tǒng)相對照，得到該深度處海水的衰減系數(shù)。再利用衰減系數(shù) 與渾濁度的參考關(guān)系，得到海水的渾濁度。三、本發(fā)明的優(yōu)點1) 可在大范圍海洋環(huán)境中進行實時監(jiān)測；2) 采用非接觸式測量，有利于嚴(yán)重污染或惡劣環(huán)境下的監(jiān)測；


附圖1.本發(fā)明的工作原理圖。丄A， BS分別為532nm的1/2波片、1/4波片和偏振耦合鏡， 2 4BS對水平偏振光高透，垂直偏振光高反；M。， M,，肘2和射3均為直角全 反射棱鏡；Z,、 ^分別為凹透鏡和凸透鏡。附圖2.本發(fā)明的實現(xiàn)方法圖。"，^， BS分別為532nm的1/2波片、1/4波片和偏振耦合鏡， 2 4BS是對水平偏振光高透，垂直偏振光高反；M;為直角全反射棱鏡；A、 Z: 分別為凹透鏡和凸透鏡。
權(quán)利要求
用脈沖激光實時測量海水渾濁度的方法1. 將種子注入脈沖YAG激光器產(chǎn)生的窄帶激光束射入海水中。2. 該激光束為垂直偏振的532nm激光，經(jīng)1/2波片后變?yōu)樗狡?，使激光束能量的絕大部分可以通過偏振耦合鏡BS，一小部分被反射。被BS反射的激光強度I1由探測器1接收，利用已知BS的透射/反射能量比可以實時監(jiān)測激光束的透射強度Il。3. Il向前傳播通過1/4波片變?yōu)閳A偏振光，并經(jīng)L1、L2透鏡組會聚到海水中某一深度z0處。4. z0處發(fā)生受激布里淵散射。由于受激布里淵散射只在背向發(fā)生，散射光沿原路返回，經(jīng)過1/4波片后變成垂直偏振光，使布里淵散射光的絕大部分光強Is被BS反射，并由探測器2接收。5. 只要同步測得了激光器的輸出強度和背向受激布里淵散射信號強度，利用預(yù)先建立的同一深度的入射激光強度、背向受激布里淵散射信號強度與水的衰減系數(shù)的關(guān)系(Il，Is，α)，得到z0處海水的衰減系數(shù)。6. 利用衰減系數(shù)與渾濁度的參考關(guān)系，得到海水的渾濁度。7. 海水中某一深度處入射激光強度、背向受激布里淵散射信號強度與水的衰減系數(shù)的關(guān)系(Il，Is，α)。8. 海水衰減系數(shù)與渾濁度的關(guān)系。
1、 將種子注入脈沖YAG激光器產(chǎn)生的窄帶激光束射入海水中。
2、 該激光束為垂直偏振的532nm激光，經(jīng)1/2波片后變?yōu)樗狡瘢?使激光束能量的絕大部分可以通過偏振耦合鏡BS， 一小部分被反射。 被BS反射的激光強度/,由探測器1接收，禾U用已知BS的透射/反射 能量比可以實時監(jiān)測激光束的透射強度/,。
3、 /,向前傳播通過l/4波片變?yōu)閳A偏振光，并經(jīng)丄,、丄2透鏡組會聚到海 水中某一深度z。處。
4、 z。處發(fā)生受激布里淵散射。由于受激布里淵散射只在背向發(fā)生，散射 光沿原路返回，經(jīng)過1/4波片后變成垂直偏振光，使布里淵散射光的 絕大部分光強/,被BS反射，并由探測器2接收。
5、 只要同步測得了激光器的輸出強度和背向受激布里淵散射信號強度， 利用預(yù)先建立的同一深度的入射激光強度、背向受激布里淵散射信號 強度與水的衰減系數(shù)的關(guān)系(/,，/',")，得到z。處海水的衰減系數(shù)。
6、 利用衰減系數(shù)與渾濁度的參考關(guān)系，得到海水的渾濁度。
7、 海水中某一深度處入射激光強度、背向受激布里淵散射信號強度與水的衰減系數(shù)的關(guān)系(/,,/,，《)。
8、 海水衰減系數(shù)與渾濁度的關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明利用窄帶高能脈沖激光在海水中發(fā)生的受激布里淵散射，實現(xiàn)對海水渾濁度的實時探測。通過同步測量入射激光的強度和背向受激布里淵散射信號的強度，得到海水的衰減系數(shù)。再由衰減系數(shù)得到海水的渾濁度。
文檔編號G01N21/53GK101266210SQ20071014351
公開日2008年9月17日 申請日期2007年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月8日
發(fā)明者何興道, 劉大禾, 歐陽敏, 石錦衛(wèi), 趙露華 申請人:北京師范大學(xué);南昌航空大學(xué)