一種量傳溯源扁平化的海水聲速測量方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種量傳溯源扁平化的海水聲速測量方法，所述海水聲速測量方法包括以下步驟：以飛秒激光重復(fù)頻率間隔Δω作為基準(zhǔn)，探測海水聲場布里淵散射作用引起的多普勒頻移；三組接收體在測量過程中將分別接收一組速度矢量分量序列，三組速度矢量分量序列中的每一個(gè)對(duì)應(yīng)元素在全局時(shí)鐘控制下同步完成信號(hào)采集；三組接收體定位于被測量海水聲場同一點(diǎn)；根據(jù)各組接收體接收到的多普勒頻移信號(hào)，反演出該方向?qū)?yīng)的速度分量，然后將三個(gè)速度分量矢量序列進(jìn)行矢量合成計(jì)算，實(shí)現(xiàn)海水聲速測量。本發(fā)明專利技術(shù)以飛秒激光布里淵散射效應(yīng)為基本原理對(duì)海水聲速剖面進(jìn)行檢測，目的在于實(shí)現(xiàn)高精度、量傳溯源扁平化的聲速測量。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及激光布里淵散射海水聲速測量領(lǐng)域，尤其涉及一種量傳溯源扁平化的海水聲速測量方法。
技術(shù)介紹
具體來講，對(duì)于海水聲速測量，一般主要包括兩類方法，一類是通過測量超聲波在固定距離內(nèi)飛行時(shí)間或者測量超聲波波長和頻率的直接測量法；一類是通過溫、鹽、深參數(shù)測量的間接測量方法。間接測量方法主要是依據(jù)已有的三個(gè)模型公式進(jìn)行計(jì)算，但往往存在較大的誤差。相比較而言，直接測量方法因原理上涉及參量較少(只包括時(shí)間和距離)，在保證測量結(jié)果溯源性上更有優(yōu)勢。但從量值溯源角度考慮，在時(shí)間參量的測量上，雖然精度可達(dá)到較高水平，但超聲發(fā)射與接收會(huì)產(chǎn)生一定時(shí)間延誤，而且計(jì)時(shí)器件也仍是采用離線計(jì)量的方式保證時(shí)間參量測量精度，仍不是真正意義上的現(xiàn)場溯源測量；在距離參量的測量上，因超聲探頭嵌入距離參量中，保證超聲波行進(jìn)距離與標(biāo)定距離嚴(yán)格一致較為困難，難以保證量值溯源性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供了一種量傳溯源扁平化的海水聲速測量方法，本專利技術(shù)以飛秒激光布里淵散射效應(yīng)為基本原理對(duì)海水聲速剖面進(jìn)行檢測，目的在于實(shí)現(xiàn)高精度、量傳溯源扁平化的聲速測量，詳見下文描述：一種量傳溯源扁平化的海水聲速測量方法，所述海水聲速測量方法包括以下步驟：以飛秒激光重復(fù)頻率間隔Δω作為基準(zhǔn)，探測海水聲場布里淵散射作用引起的多普勒頻移；位于集成箱內(nèi)的多組接收體在測量過程中將分別接收一組速度矢量分量序列，多組速度矢量分量序列中的每一個(gè)對(duì)應(yīng)元素在全局時(shí)鐘控制下同步完成信號(hào)采集；多組接收體定位于被測量海水聲場同一點(diǎn)；根據(jù)各組接收體接收到的多普勒頻移信號(hào)，反演出該方向?qū)?yīng)的速度分量，然后將三個(gè)速度分量矢量序列進(jìn)行矢量合成計(jì)算，實(shí)現(xiàn)海水聲速測量。所述位于集成箱內(nèi)的三組接收體具體為：三組指示光路及雪崩光電二極管：依次通過光信號(hào)連接的指示激光器、分光棱鏡和反射鏡、二向色鏡、雪崩光電二極管、大口徑透鏡；沿三組指示光路方向指示激光方向的散射飛秒激光經(jīng)過大口徑透鏡后變?yōu)槿叫泄猓欢蛏R反射后進(jìn)入對(duì)應(yīng)的三個(gè)雪崩光電二極管；然后根據(jù)雪崩光電二極管得到多普勒頻移。所述海水聲速測量方法還包括：測量船搭載GPS接收機(jī)與飛秒激光設(shè)備，將飛秒激光設(shè)備經(jīng)第一光纖連接到水中的集成箱，GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星的信號(hào)，由GPS時(shí)間基準(zhǔn)授時(shí)，將飛秒激光重頻鎖定到微波頻標(biāo)。所述集成箱還包括：超聲換能器，所述超聲換能器持續(xù)提供被測量聲場。所述方法即為測量儀器直接溯源計(jì)量基準(zhǔn)，無需將測量結(jié)果層層傳遞，增加累積誤差：飛秒激光重頻率通過GPS授時(shí)鎖定到星載頻率基準(zhǔn)上，通過飛秒激光重頻率多普勒效應(yīng)建立頻率基準(zhǔn)與海水聲速的直接關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)海水聲速的量傳溯源扁平化測量。在光路設(shè)計(jì)上：采用單光束-多接收模式進(jìn)行頻率移動(dòng)量的采集，對(duì)光束發(fā)射端的位置條件沒有要求，只需對(duì)光束接收端的接收角度進(jìn)行標(biāo)定，這保證集成箱內(nèi)接收部分的模塊化設(shè)計(jì)。所述根據(jù)各組接收體接收到的多普勒頻移信號(hào)，反演出該方向?qū)?yīng)的速度分量具體為：其中，fD為多普勒頻移；e0為入射光單位向量；U是聲速分量矢量；es為散射光的單位向量；λ為飛秒激光波長。本專利技術(shù)提供的技術(shù)方案的有益效果是：1、本方法將突破海水聲速現(xiàn)場溯源性測量困難，保守估計(jì)可將海水聲速測量精度提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)量傳溯源扁平化的海水聲速測量；本方法可看作是海洋計(jì)量工作的突破，將在海洋計(jì)量界產(chǎn)生重要學(xué)術(shù)影響；2、本方法將在海洋標(biāo)準(zhǔn)場建設(shè)工作上發(fā)揮積極作用，以其直接現(xiàn)場溯源優(yōu)勢替換掉傳統(tǒng)海水聲速測量方法，將測量精度大幅提升，為海洋標(biāo)準(zhǔn)場建設(shè)貢獻(xiàn)力量；3、本方法同時(shí)也將在水文地質(zhì)、反潛、電纜鋪設(shè)和地質(zhì)調(diào)查、采礦、地球物理探測、聲學(xué)系統(tǒng)、聲層析、水體微結(jié)構(gòu)分析、水文水道測量、海洋調(diào)查勘察以及國防應(yīng)用上發(fā)揮重要直接或間接作用，為相關(guān)領(lǐng)域作業(yè)任務(wù)提供高精度數(shù)據(jù)保障。附圖說明圖1為飛秒激光海水聲速量傳溯源扁平化測量示意圖；圖2為一種量傳溯源扁平化的海水聲速測量方法的流程圖；圖3為前端傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為激光多普勒效應(yīng)測速的示意圖；圖5為聲速分量配準(zhǔn)融合的示意圖。附圖中，各標(biāo)號(hào)所代表的部件列表如下：1：衛(wèi)星；2：GPS接收機(jī)；3：飛秒激光設(shè)備；4：第一光纖；5：集成箱；6：分光棱鏡和反射鏡；7：指示激光器；8：二向色鏡；9：雪崩二極管；10：大口徑透鏡；11：第二光纖；12：超聲換能器。具體實(shí)施方式為使本專利技術(shù)的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本專利技術(shù)實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。實(shí)施例1本專利技術(shù)實(shí)施例介紹了一種利用飛秒激光高重頻穩(wěn)定度、能溯源到頻率基準(zhǔn)等良好性質(zhì)，以布里淵散射原理為基本原理對(duì)海水剖面聲速進(jìn)行檢測的新方法，目的在于實(shí)現(xiàn)高精度、量傳溯源扁平化的海水聲速剖面測量，參見圖1、圖2和圖3，該方法包括以下步驟：101：以飛秒激光重復(fù)頻率間隔Δω作為基準(zhǔn)，探測海水聲場布里淵散射作用引起的多普勒頻移；其中，在海水介質(zhì)里由密度起伏引起的激光多普勒效應(yīng)表現(xiàn)為布里淵散射現(xiàn)象。海水聲場是海水密度起伏引起的傳播形態(tài)，相當(dāng)于移動(dòng)的位相光柵，飛秒激光在穿過海水聲場時(shí)會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。根據(jù)測量的頻移可以得出海水的溫度，進(jìn)而根據(jù)海水溫度與水中聲速的關(guān)系求得海水中的聲速。飛秒激光重頻的多普勒效應(yīng)原理，飛秒激光中包含的頻率成分大約為106量級(jí)，頻譜之間的頻率間隔Δω可以鎖定到衛(wèi)星微波頻標(biāo)，使其具有10-15量級(jí)的頻率穩(wěn)定度，本專利技術(shù)實(shí)施例即以此頻率間隔Δω作為基準(zhǔn)探測海水聲場作用產(chǎn)生的多普勒頻移。102：三組接收體在測量過程中將分別接收一組速度矢量分量序列，三組速度矢量分量序列中的每一個(gè)元素在全局時(shí)鐘控制下同步完成信號(hào)采集；三組接收體通過指示激光器發(fā)射的經(jīng)過分光棱鏡與反射鏡后的三組指示平行光束經(jīng)大口徑透鏡10定位于被測量海水聲場同一點(diǎn)；其中，三組接收體具體為：由指示激光器發(fā)射經(jīng)分光棱鏡與反射鏡后的三組指示光路及雪崩二極管光電探測器，其結(jié)構(gòu)包括：依次通過光信號(hào)連接的指示激光器7、分光棱鏡和反射鏡6、二向色鏡8、雪崩光電二極管9、大口徑透鏡10。103：根據(jù)各組接收體接收到的多普勒頻移信號(hào)，反演出該方向?qū)?yīng)的速度分量，然后將三個(gè)速度矢量分量序列進(jìn)行矢量合成計(jì)算，實(shí)現(xiàn)海水聲速測量。其中，位于集成箱內(nèi)的前端傳感器5的結(jié)構(gòu)如圖3所示，雖然飛秒激光單脈沖峰值功率非常高，直接作用在海水中會(huì)激發(fā)出聲子振動(dòng)，但在本專利技術(shù)實(shí)施例中，為了有效保證持續(xù)超聲的存在，在位于集成箱內(nèi)的前端傳感器中嵌入超聲換能器持續(xù)提供被測量聲場。在光學(xué)基本布置模式的考慮上，采用單光束-多接收模式進(jìn)行頻率移動(dòng)量的采集，這種模式對(duì)光束發(fā)射端的位置條件沒有要求，只需要對(duì)光束接收端的接收角度進(jìn)行標(biāo)定即可，這種模式可保證位于集成箱內(nèi)的接收部分的模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)第二光纖端11和超聲換能器12的位置精度沒有要求，免去了標(biāo)定超聲波傳播方向工作，也減少了誤差來源。用指示激光器7配合分光棱鏡和反射鏡6的組合可產(chǎn)生高質(zhì)量平行光束，平行光束過大口徑透鏡10可聚焦在焦平面上，只要超聲波過此聚焦點(diǎn)，即可完成頻移信息的采集。其中，指示激光器7配合二向色鏡8，可保證搜集指定方向散射飛秒激光，并可有效使用雪崩光電二極管9接收到散射光信號(hào)。其中，根據(jù)各組接收體接收到的多普勒頻移信號(hào)，反演出該方向?qū)?yīng)的聲速分量具體為：其中，fD為多普勒頻移；e0為入射光單位向量；U是聲速分量矢量；es為散射光的單位向量；λ為飛秒激光本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種量傳溯源扁平化的海水聲速測量方法，其特征在于，所述海水聲速測量方法包括以下步驟：以飛秒激光重復(fù)頻率間隔Δω作為基準(zhǔn)，探測海水聲場布里淵散射作用引起的多普勒頻移；位于集成箱內(nèi)的三組接收體在測量過程中將分別接收一組速度矢量分量序列，多組速度矢量分量序列中的每一個(gè)元素在全局時(shí)鐘控制下同步完成信號(hào)采集；多組接收體跟隨集成箱定位于被測量海水聲場同一點(diǎn)；根據(jù)各組接收體接收到的多普勒頻移信號(hào)，反演出該方向?qū)?yīng)的速度分量，然后將三個(gè)速度分量矢量序列進(jìn)行矢量合成計(jì)算，實(shí)現(xiàn)海水聲速測量。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種量傳溯源扁平化的海水聲速測量方法，其特征在于，所述海水聲速測量方法包括以下步驟：以飛秒激光重復(fù)頻率間隔Δω作為基準(zhǔn)，探測海水聲場布里淵散射作用引起的多普勒頻移；位于集成箱內(nèi)的三組接收體在測量過程中將分別接收一組速度矢量分量序列，多組速度矢量分量序列中的每一個(gè)元素在全局時(shí)鐘控制下同步完成信號(hào)采集；多組接收體跟隨集成箱定位于被測量海水聲場同一點(diǎn)；根據(jù)各組接收體接收到的多普勒頻移信號(hào)，反演出該方向?qū)?yīng)的速度分量，然后將三個(gè)速度分量矢量序列進(jìn)行矢量合成計(jì)算，實(shí)現(xiàn)海水聲速測量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量傳溯源扁平化的海水聲速測量方法，其特征在于，所述位于集成箱內(nèi)三組接收體具體為：三組指示光路及雪崩光電二極管：依次通過光信號(hào)連接的指示激光器、分光棱鏡和反射鏡、二向色鏡、雪崩光電二極管、大口徑透鏡；沿三束指示光路方向的散射飛秒激光經(jīng)過大口徑透鏡后變?yōu)槿叫泄?，被二向色鏡反射后進(jìn)入對(duì)應(yīng)的三個(gè)雪崩光電二極管；然后根據(jù)雪崩光電二極管得到多普勒頻移。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量傳溯源扁平化的海水聲速測量方法，其特征在于，所述海水聲速測量方法還包括：測量船搭載GPS接收機(jī)與飛秒激光設(shè)備，將飛秒激光設(shè)備經(jīng)第一光纖連接到水中位于集成箱內(nèi)的前端傳感器，GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星的信...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：薛彬，王志洋，趙拓，張凱，楊曉霞，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：天津大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：天津;12