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原文传递基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知方法及装置

专利名称：	基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知方法及装置
摘要：	基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知方法及装置，涉及光学模拟探测技术领域，为解决现有基于激光干涉同时感知湍流强度变化和颗粒物浓度变化的装置存在结构复杂，易受系统机械振动和环境温湿度影响，噪声严重等问题，本发明装置包括防水封装外壳、第一防水透光窗口、第二防水透光窗口连续型激光器、光纤空间光耦合器、滤波片、空间光光纤耦合器、单模光纤、光电探测器、控制分析系统、信号共电缆、电缆接口和流速传感器，本发明能有效的分离湍流信号和颗粒物信号，可以得到所感知颗粒物尺度为百微米量级及以上的颗粒，所感知海洋湍流场为折射率浮动达10‑4量级的湍流。本发明可广泛应用于海洋探测领域。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	黑龙江;23
申请人：	哈尔滨工业大学
发明人：	姚金任;张宇;张华俊;王翰韬
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-09T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-26T00:00:00+0800
申请号：	CN201910281974.4
公开号：	CN110057731A
代理机构：	哈尔滨市松花江专利商标事务所
代理人：	刘冰
分类号：	G01N15/06(2006.01);G;G01;G01N;G01N15
申请人地址：	150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号
主权项：	1.基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知装置，其特征在于包括：防水封装外壳(1)、第一防水透光窗口(2)、第二防水透光窗口(2-1)、连续型激光器(3)、光纤-空间光耦合器(4)、滤波片(5)、空间光-光纤耦合器(6)、光电探测器(8)、控制分析系统(9)、信号共电缆(10)和流速传感器(12)；激光由所述连续型激光器(3)发出，经过单模光纤和光纤-空间光耦合器(4)形成空间光，空间光经过第一防水透光窗口(2)进入待测水体，随后依次通过第二防水透光窗口(2-1)、滤波片(5)和空间光-光纤耦合器(6)，经过空间光-光纤耦合器(6)耦合进单模光纤,并传输至光电探测器(8)，光电探测器(8)将光强信号转换为电信号发送给控制分析系统(9)；所述控制分析系统(9)用于分析、处理和存储光电探测器(8)发送的光强信号和流速传感器(12)发送的流速数据。 2.根据权利要求1所述的基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知装置，其特征在于：还包括电缆接口(11)，所述控制分析系统(9)通过电缆接口(11)与外部设备连接。 3.根据权利要求1所述的基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知装置，其特征在于：所述第一防水透光窗口(2)、第二防水透光窗口(2-1)、连续型激光器(3)、光纤-空间光耦合器(4)、滤波片(5)、空间光-光纤耦合器(6)和光电探测器(8)的工作波长与连续型激光器(3)的工作波长一致。 4.根据权利要求3所述的基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知装置，其特征在于：所述连续型激光器(3)的波长在可见光波段，波长为532nm。 5.根据权利要求1所述的基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知装置，其特征在于：所述单模光纤(7)中设有光纤隔离器。 6.根据权利要求1所述的基于激光光束光强分析海洋湍流和颗粒感知装置，其特征在于：所述光电探测器(8)的采样频率不低于50Hz。 7.一种根据权利要求1所述装置的海洋湍流和颗粒感知方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、将装置投放入待测水域，控制分析系统(9)通过光电探测器(8)采集一段时序电信号I(t)，同时通过流速传感器(12)采集同一时段的流速信号V(t)，采集时长T满足t0为该段信号的采集起始时间，dt为对流速信号在时间坐标上进行积分的微元表示；步骤二、控制分析系统(9)对I(t)执行初级滤波：若控制分析系统(9)为光电探测器8和连续型激光器3提供频率为f0的交流电，则控制分析系统(9)滤去I(t)中的频率为f0及其倍频nf0的信号成分，n＝1,2,3…，滤波后得到信号I1(t)；若控制分析系统(9)为光电探测器(8)和连续型激光器(3)提供直流电，则不执行初级滤波，即I1(t)＝I(t)；步骤三、控制分析系统(9)对步骤二所得I1(t)执行坐标变换：结合I1(t)和流速信号V(t)，得到数据I2(x)，其中I2(x)＝I1(τ)，τ为V(t)信号上各采样点的时间坐标值，即采样点上t的取值；步骤四、控制分析系统(9)对步骤三所得I2(x)执行傅里叶变换，得到频谱GI(f)；步骤五、控制分析系统(9)依据装置参数设定分析参数：装置摄入水体的光束直径为d，光束在水体中的传输距离为L，则分析参数设定为f1＝0.8BdL+200，其中B为人工设定的所需感知到的最低颗粒物密度，B的取值根据实际使用需求设定；步骤六、控制分析系统(9)计算湍流场感知指标颗粒物感知指标其中F取值为信号I(t)采样频率的一半，df为对频谱GI(f)在频率坐标上进行积分的微元表示。 8.一种根据权利要求1所述装置的应用场景确定方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、光束经过水体的长度为L，光束直径为d，颗粒物密度为D个/m3，水体整体流速为V，则单位时间穿过光束的颗粒物数量N个/s，N≈DdLV，起伏的中心频率为：fparticle≈N＝DdLV；步骤2、设引起光束信号发生变化的湍流场随机透镜平均尺度为r，起伏的中心频率为：颗粒物引起的光强起伏中心频率与湍流引起的光强起伏中心频率之比为：步骤3、通常r≈d,Ld2＞10/D，运动颗粒物所引起的透射光信号起伏中心频率远高于湍流引起的透射光信号起伏中心频率，此时,颗粒物和湍流场的频段分开。 9.根据权利要求8所述的应用场景确定方法，其特征在于，还包括步骤四：计算透射光信号中的高频成分和低频成分。
所属类别：	发明专利