一种水下布里渊散射光谱测量装置及测量方法
阅读说明：本技术 一种水下布里渊散射光谱测量装置及测量方法 (Underwater Brillouin scattering spectrum measuring device and measuring method ) 是由 田斌 梁琨 王元庆 陈子豪 张厶允 于 2021-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种水下布里渊散射光谱测量装置及测量方法,测量装置中,碘分子吸收池接收散射光信号,并对布里渊散射光进行滤波；滤波处理后的布里渊散射光依次通过分束镜、扩束镜和双通道FP标准具；分束镜提取小部分布里渊散射光并由参考光能量探测装置接收及探测参考能量值；扩束镜控制光路发射角以控制双通道FP标准具的线宽；双通道FP标准具用于通过布里渊光谱两侧的两部分散射光,并分别发送至第一通过光能量探测装置和第二通过光能量探测装置来探测能量值。通过本发明的技术方案,能够实时计算得到布里渊散射光的光谱,扩展了边缘探测技术的测量功能,实现整体布里渊散射光谱的测量,且具备良好的时效性与稳定性。(The invention discloses an underwater Brillouin scattering spectrum measuring device and a measuring method, wherein in the measuring device, an iodine molecule absorption cell receives a scattered light signal and filters Brillouin scattered light; the filtered Brillouin scattered light sequentially passes through a beam splitter, a beam expander and a dual-channel FP etalon; the beam splitter extracts a small part of Brillouin scattered light and receives and detects a reference energy value by a reference light energy detection device; the beam expander controls the emission angle of the light path to control the line width of the dual-channel FP etalon; the double-channel FP etalon is used for scattering light passing through two parts on two sides of a Brillouin spectrum and respectively sending the scattered light to the first passing light energy detection device and the second passing light energy detection device to detect an energy value. According to the technical scheme, the spectrum of the Brillouin scattering light can be calculated in real time, the measurement function of the edge detection technology is expanded, the measurement of the whole Brillouin scattering spectrum is realized, and the time efficiency and the stability are good.)
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种水下布里渊散射光谱测量装置以及一种水下布里渊散射光谱测量方法。
背景技术
海洋温度和盐度是海洋科学包括海洋动力、海洋环境、海水物理过程、化学过程和生物过程的基本参数，是海洋环境中最为重要的物理特性，对海洋温度和盐度的监测是海洋环境研究的重要需求。传统上对海洋温盐的监测主要以接触式测量为主，其测量精确度高(温度和盐度的测量精度分别能够达到0.01℃和0.01‰)，但是面向大范围、高网格密度海区监测时，该方法受到一定的限制。
相对而言，遥感具有获取便捷、覆盖面广、时效性强及费用低廉等优点，是目前海洋环境监测的重要发展方向之一。海洋遥感主要是利用不同频段上的电磁波进行环境监测，主要有光学、红外以及微波遥感等多种方式。例如在目前的星载平台上，微波辐射计可以同时对海洋表层温度和盐度进行准实时的遥感，精度分别达到0.2K和0.5‰。红外遥感则能够实时测量海表温度，在无云雾遮挡的条件下精度可达到0.4K左右。由于海水对微波和红外具有屏蔽作用，而在蓝绿光波段存在一个透过窗口，因此相对于微波或者红外只能测量表层或海水的温盐信息，主动激光遥感具有快速获取次表层海水温盐垂直剖面分布的优势。
激光与海水分子相互作用后的拉曼散射和布里渊散射与温度和盐度信息相关，可通过测量这两种散射光谱来实现对海水温盐的遥感。由于拉曼散射频移较大，光谱较宽，光谱检测相对容易，因此基于拉曼散射的海水温度和盐度测量最先得到了应用，目前拉曼散射激光遥感测量的温度和盐度测量误差分别为0.7℃和1.4‰。
相对于拉曼散射，布里渊散射截面更大，意味着更强的回波能量和更深的探测距离；同时布里渊散射光谱频移小，在光谱频域上的分布也要比拉曼光谱更窄(在水体中布里渊频移只有7-8GHz左右；光谱的半高线宽也仅有0.5-1.5GHz)，所以有效谱段应的背景噪声更少，具有更高的信噪比。因此布里渊散射激光遥感具有探测距离深和测量精度高的优点，是海水温盐测量的重要发展方向。
目前通过测量布里渊频移和线宽同步反演海水温盐的方法理论上可实现0.06℃的温度精度和0.8‰的盐度精度。然而布里渊散射光谱频移小、光谱窄的特点使得布里渊激光遥感具有更高信噪比的同时，也对布里渊散射光谱的精确检测提出了更高的要求。适用于拉曼散射探测的光谱仪通常基于光栅原理，具有数百nm甚至更宽的光谱测量范围和数十到数百GHz量级的频域分辨率。针对布里渊散射的探测方案则有着几乎完全相反的要求，由布里渊频移量可知对海水布里渊散射信号进行探测，所需光谱测量范围不超过25GHz，而谱线参数测量精度需要达到MHz量。
因此，目前急需一中能够实现布里渊散射光谱的实时、稳定的获取设备。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种水下布里渊散射光谱测量装置及测量方法，通过碘分子吸收池滤除杂散光、保留布里渊散射光，进行滤波处理，并利用分束镜提取小部分参考能量，与双通道FP(Fabry-Perot，法布里-珀罗)标准具通过的两部分能量相结合，从而能够实时计算得到布里渊散射光的光谱，扩展了边缘探测技术的测量功能，实现整体布里渊散射光谱的测量，并且具备良好的时效性与稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了一种水下布里渊散射光谱测量装置，包括：碘分子吸收池、分束镜、扩束镜、参考光能量探测装置、双通道FP标准具、第一通过光能量探测装置和第二通过光能量探测装置；所述碘分子吸收池接收水体反射来的散射光信号，以对通过的布里渊散射光进行滤波；所述碘分子吸收池滤波处理后的布里渊散射光依次通过所述分束镜、所述扩束镜和所述双通道FP标准具；所述分束镜用于提取小部分布里渊散射光并由所述参考光能量探测装置接收，所述参考光能量探测装置用于探测该小部分布里渊散射光的参考能量值；所述扩束镜用于控制光路发射角以控制所述双通道FP标准具的线宽；所述双通道FP标准具用于通过布里渊光谱两侧的第一部分散射光和第二部分散射光，并分别将所述第一部分散射光发送至所述第一通过光能量探测装置、将所述第二部分散射光发送至所述第二通过光能量探测装置；所述第一通过光能量探测装置用于探测所述第一部分散射光中的第一能量值，所述第二通过光能量探测装置用于探测所述第二部分散射光中的第二能量值。
在上述技术方案中，优选地，水下布里渊散射光谱测量装置还包括接收望远镜和小孔光阑，所述接收望远镜用于接收水体反射来的散射光信号，所述小孔光阑用于限制视场角以控制接收视场。
在上述技术方案中，优选地，水下布里渊散射光谱测量装置还包括激光器，所述激光器为低脉冲能量高重复频率的激光器，用于向待测目标水域发射激光脉冲，并产生后向瑞利布里渊散射光。
在上述技术方案中，优选地，所述碘分子吸收池的工作温度为40℃，采用532.2925nm的吸收谱线。
在上述技术方案中，优选地，所述双通道FP标准具的自由光谱范围为25GHz，两通道的台阶设计值为3.8±0.3GHz，吸收线半高线宽为600MHz。
在上述技术方案中，优选地，水下布里渊散射光谱测量装置应用于温度小于或等于20℃的水域。
本发明还提出一种水下布里渊散射光谱测量方法，应用于如上述技术方案中任一项提出的水下布里渊散射光谱测量装置，包括：通过参考光能量探测装置探测由分束镜分出的小部分布里渊散射光的参考能量值；通过扩束镜控制光路发射角以控制双通道FP标准具的线宽；通过第一通过光能量探测装置探测所述双通道FP标准具通过的第一部分散射光的第一能量值；通过第二通过光能量探测装置探测所述双通道FP标准具通过的第二部分散射光的第二能量值；根据所述参考能量值、所述第一能量值和所述第二能量值计算得到布里渊散射光的光谱频移和光谱线宽，实时获得布里渊散射光的光谱。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过碘分子吸收池滤除杂散光、保留布里渊散射光，进行滤波处理，并利用分束镜提取小部分参考能量，与双通道FP标准具通过的两部分能量相结合，从而能够实时计算得到布里渊散射光的光谱，扩展了边缘探测技术的测量功能，实现整体布里渊散射光谱的测量，并且具备良好的时效性与稳定性。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的水下布里渊散射光谱测量装置的结构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的水下布里渊散射光谱测量方法的流程示意图。
图中，各组件与附图标记之间的对应关系为：
1、碘分子吸收池；2、分束镜；3、扩束镜；4、参考光能量探测装置；5、双通道FP标准具；6、第一通过光能量探测装置；7、第二通过光能量探测装置；8、接收望远镜；9、小孔光阑；10、激光器；11、水体。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，根据本发明提供的一种水下布里渊散射光谱测量装置，包括：碘分子吸收池1、分束镜2、扩束镜3、参考光能量探测装置4、双通道FP标准具5、第一通过光能量探测装置6和第二通过光能量探测装置7；
碘分子吸收池1接收水体11反射来的散射光信号，以对通过的布里渊散射光进行滤波；
碘分子吸收池1滤波处理后的布里渊散射光依次通过分束镜2、扩束镜3和双通道FP标准具5；
分束镜2用于提取小部分布里渊散射光并由参考光能量探测装置4接收，参考光能量探测装置4用于探测该小部分布里渊散射光的参考能量值；
扩束镜3用于控制光路发射角以控制双通道FP标准具5的线宽；
双通道FP标准具5用于通过布里渊光谱两侧的第一部分散射光和第二部分散射光，并分别将第一部分散射光发送至第一通过光能量探测装置6、将第二部分散射光发送至第二通过光能量探测装置7；
第一通过光能量探测装置6用于探测第一部分散射光中的第一能量值，第二通过光能量探测装置7用于探测第二部分散射光中的第二能量值。
在该实施例中，通过碘分子吸收池1滤除杂散光、保留布里渊散射光，其作用相当于带阻滤波器，从而对通过的布里渊散射光进行滤波处理，获得去除噪声后的所述布里渊散射光，并利用分束镜2提取小部分去噪后的布里渊散射能量，以作为参考能量，与双通道FP标准具5通过的两部分能量相结合，从而能够实时计算得到布里渊散射光的光谱，扩展了边缘探测技术的测量功能，实现整体布里渊散射光谱的测量，并且具备良好的时效性与稳定性，可应用于激光雷达在温度、盐度等环境要素遥感上。
具体地，如图1所示，PMT0(photomultipliertube，光电倍增管)为参考光能量探测装置4，用于接收所述小部分布里渊散射光，并探测所述小部分布里渊散射光中的参考能量值，双通道FP标准具5相当于两个边缘滤波器，用于通过布里渊光谱两侧的部分能量；
PMT1为第一通过光能量探测装置6，PMT2为第二通过光能量探测装置7，PMT1和PMT2分别用于接收双通道FP标准具5两侧通过的第一部分散射光和第二部分散射光，并分别探测第一部分散射光中的第一能量值和第二部分散射光中的第二能量值；其中，第一能量值包含布里渊散射光的频移特征及线宽特征，第二能量值包含布里渊散射光的频移特征和线宽特征。
在此基础上，将上述参考能量值、第一能量值和第二能量值代入已有的反演公式，即可计算获得布里渊散射光的光谱的频移特征和线宽特征，从而得到布里渊散射光的光谱。
通过该装置，理论上不同线宽和频移条件下透过双通道FP标准具5的能量也不相同，因此通过频移特征和线宽特征能量即可实现对频移和线宽的测量，也即可根据系统测量的第一能量值、第二能量值以及参考能量值，获得布里渊散射光的光谱频移以及光谱线宽，进而得到布里渊散射光的光谱。
在上述实施例中，优选地，水下布里渊散射光谱测量装置还包括接收望远镜8和小孔光阑9，接收望远镜8用于接收水体11反射来的散射光信号，小孔光阑9将接收望远镜8接收的散射光信号输送至碘分子吸收池1，小孔光阑9用于限制视场角以控制接收视场。
在上述实施例中，优选地，水下布里渊散射光谱测量装置还包括激光器10，激光器10为低脉冲能量高重复频率的激光器，用于向待测目标水域发射稳定的激光脉冲，并产生后向瑞利布里渊散射光。
由于在该系统中需要保证布里渊散射光有足够的能量被三个探测装置(PMT)接收到，因此，对碘分子吸收池1以及双通道FP标准具5的参数设置就显得非常重要，既要保证双通道FP标准具5对布里渊散射光光谱变化足够敏感，又要保证PMT接收到的能量尽可能的强，方便检测。
在上述实施例中，优选地，碘分子吸收池1的工作温度为40℃，采用532.2925nm的吸收谱线。
在上述实施例中，优选地，双通道FP标准具5的自由光谱范围为25GHz，两通道的台阶设计值为3.8±0.3GHz，吸收线半高线宽为600MHz。
在上述实施例中，优选地，水下布里渊散射光谱测量装置应用于温度小于或等于20℃的水域。
如图2所示，本发明还提出一种水下布里渊散射光谱测量方法，应用于如上述实施例中任一项提出的水下布里渊散射光谱测量装置，包括：
步骤S0：激光器10向水体11中发射激光脉冲；
步骤S1：接收水体11返回激光，通过碘分子吸收池1滤除杂散光，保留布里渊散射光，获得去除噪声后的布里渊散射光；
步骤S2：通过分束镜2提取小部分去噪后的布里渊散射能量，通过参考光能量探测装置4探测由分束镜2分出的小部分布里渊散射光，以作为参考能量值；
步骤S3：利用双通道FP标准具5通过布里渊光谱两侧的部分能量，通过扩束镜3控制光路发射角以控制双通道FP标准具5的线宽；
步骤S4：通过第一通过光能量探测装置6探测双通道FP标准具5通过的第一部分散射光的第一能量值，通过第二通过光能量探测装置7探测双通道FP标准具5通过的第二部分散射光的第二能量值，其中，所述第一能量值和第二能量值中包含所述布里渊散射光的频移特征和线宽特征；
步骤S5：根据参考能量值、第一能量值和第二能量值，利用已有的反演公式计算得到布里渊散射光的光谱频移和光谱线宽，实时获得布里渊散射光的光谱。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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