一种基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量方法

摘要

本发明公开了一种基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量方法，所述方法包括：搭建基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量光路，使精密位移平台持续运动从而改变干涉光路与第一反射光路的光程；采集示波器测量数据；依据光学频率梳A、B处的干涉条纹分别获取干涉光路的光程与测量光路和参考光路光程分别相等的时刻点t1与t2；计算t1与t2间连续光干涉条纹的数目，从而确定声波飞行距离；依据脉冲声光效应引起的光强突变计算声波飞行时间。本发明以光学频率梳干涉以及脉冲声光效应为基本原理对海水声速剖面进行检测，目的在于实现高精度、高稳定性的声速测量。

说明书

技术领域

本发明涉及海水声速测量领域，尤其涉及一种基于光学频率梳干涉的高精度海水声速 测量方法。

背景技术

海水中的声速测量，一般主要包括两类方法，一类是通过测量超声波在固定距离内飞 行时间或者测量超声波波长和频率的直接测量法；一类是通过测量海水温度、盐度、深度 参数依据经验公式计算的间接测量方法。间接测量方法主要是依据已有的模型公式进行计 算，但往往存在较大的误差。相比较而言，直接测量方法在原理上涉及参量较少(只包括 时间和距离，或频率与波长)，测量精度较高。

目前市面上常规的声速剖面仪主要是依据直接测量方法设计，即测量超声波在固定距 离内的飞行时间从而获得海水声速值。但在时间参量的测量上，常规声速剖面仪声信号的 发射与接收由于压电效应需要响应时间会产生一定的时间延迟，为了得到较高的声速测量 精度，通常声波需要在已知的距离内往返飞行多次，即用接收到的反射回波去触发电路， 再发射下一个脉冲，如此不断的循环下去，这样就导致了一个误差累计效应，且回波对发 射信号存在干扰，不能保证时间测量的高精度。

在距离参量的测量上，因超声探头嵌入距离参量中，保证超声波行进距离与标定距离 严格一致较为困难，同样难以保证测量的准确性；市面上同时存在超声飞行距离已经标定 好的声速剖面仪，但由于仪器使用环境较为复杂，标定距离很难一直保证精度。

发明内容

本发明提供了一种基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量方法，本发明以光学频 率梳干涉以及脉冲声光效应为基本原理对海水声速剖面进行检测，目的在于实现高精度、 高稳定性的声速测量，详见下文描述：

一种基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量方法，所述方法包括：

1)采用第一分光镜将光学频率梳发出的飞秒激光分为垂直的两束光，之后用第二分 光镜将经过第一分光镜的透射光分为垂直的第一束光、第二束光；

第一束光通过第一反射镜后变为第一发射光，第一反射光经过第二反光镜后变为与之 垂直的第二发射光；第一束光、第一发射光、第二发射光共同构成测量光路，第二束光构 成参考光路；测量光路与参考光路在第三分光镜处进行合束，合束后变为第一合束光路；

2)将由第一分光镜反射的光通过第四分光镜后，经固定在精密位移平台上的第四反 射镜反射后按原路返回至第四分光镜进行反射；

将第一合束光路经第三反射镜反射，反射后第一合束光路与干涉光路在第六分光镜处 进行合束，形成第二合束光路；用第二光电探测器对第二合束光路进行探测，将光能转化 为电能后在示波器上进行显示，获取飞行时间；

3)调整超声探头的位置，确保超声垂直飞过第二束光、第一发射光；

4)将HeNe激光器发出的连续光通过第五分光镜变为两束垂直的光，经第五分光镜的 透射光经第五反射镜与固定在精密位移平台上的第四反射镜反射后形成第一反射光路按 原路返回至第五分光镜；

经第五分光镜的反射光经第七反射镜反射后形成第二反射光路按原路返回至第五分 光镜，与第一反射光路进行合束，合束后形成第三合束光路；将第三合束光路经第六反射 镜反射后由第二光电探测器进行探测，将光信号转换为电信号后同时显示在示波器上，获 取飞行距离；

5)根据获取的飞行时间与飞行距离，获取海水声速测量值。

优选地，所述第二束光与第一发射光平行等高进入水槽中。

进一步地，测量光路与参考光路合束完全，即测量光路与参考光路经过第三分光镜后 光路完全重合。

具体实现时，所述干涉光路与第一发射光、经第一分光镜后的透射光平行等高。

优选地，所述干涉光路与第一合束光路合束完全，即干涉光路与第一合束光路经过第 六分光镜后光路完全重合。

其中，所述方法还包括：

使精密位移平台持续运动从而改变干涉光路与第一反射光路的光程；采集示波器测 量数据；

依据光学频率梳A、B处的干涉条纹分别获取干涉光路的光程与测量光路和参考光路 光程分别相等的时刻点t₁与t₂；

计算t₁与t₂间连续光干涉条纹的数目，从而确定声波飞行距离；

依据脉冲声光效应引起的光强突变计算声波飞行时间。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本方法中超声飞行距离为实时测量，超声飞行距离与飞行时间一一对应，将解决 海水声速剖面仪直接测量法中由于热胀冷缩等影响带来的飞行距离实际值与标定值存在 误差的问题；

2、本方法中的光电能的转换速率要远远高于机械能与电能的转换速率，即声光效应 响应时间远小于压电效应响应时间，很好的避免压电效应时间延迟对飞行时间测量的影响；

3、本方法解决了飞行时间测量精度有限的困难，保守估计可将海水声速测量精度提 升一个数量级，实现高精度、高稳定性、以及快速的声速剖面测量；

4、本方法同时也将在水文地质、反潜、电缆铺设和地质调查、采矿、地球物理探测、声学系统、声层析、水体微结构分析、水文水道测量、海洋调查勘察以及国防应用上发挥 重要的直接或间接作用，为相关领域作业任务提供高精度数据保障。

附图说明

图1为光学频率梳干涉图；

图2为声光效应引起的光强突变图；

图3为连续光干涉现象图；

图4为一种基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量方法的光路图；

图5为一种基于光学频率梳干涉的高精度海水声速测量方法的流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：光学频率梳(Menlo system orange)；2：第一分光镜(Thorlabs BSW10R)；

3：第二分光镜(Thorlabs BSW10R)；4：第一反射镜(Thorlabs,PF10-03-P01)；

5：水槽； 6：超声探头；

7：测量光； 8：参考光；

9：第二反射镜(Thorlabs,PF10-03-P01)； 10：第三分光镜(Thorlabs BSW10R)；

11：第三反射镜(Thorlabs,PF10-03-P01)；12：第四分光镜(Thorlabs BSW10R)；

13：第四反射镜(Thorlabs,PF10-03-P01)；14：精密位移平台(PI M-521.DD1)；

15：第五反射镜(Thorlabs,PF10-03-P01)；16：第六反射镜(Thorlabs,PF10-03-P01)；

17：第七反射镜(Thorlabs,PF10-03-P01)；； 18：第五分光镜(Thorlabs BSW10R)；

19：第一光电探测器(Thorlabs APD430)； 20：HeNe激光器(Thorlabs HRS015B)；

21：第六分光镜(Thorlabs BSW10R)； 22：第二光电探测器(Thorlabs APD430A)；

23：示波器(Tektronix MDO3104)； 24：干涉光路；

25：第一合束光路；26：第二合束光路。

3-1：经第一分光镜3后的反射光； 3-2：经第一分光镜3后的透射光

3-3：3-1经第一反射镜4后反射的光 3-4：经第二分光镜9反射后的光

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详 细描述。

当精密位移平台运动时，会使得固定在精密位移平台上的第四反射镜反射的干涉光路 光程不断改变，当干涉光路光程与参考光路光程和测量光路光程分别相等时，便会发生图 1所示的实验现象。其中A、B处为光学频率梳干涉条纹，图1中用椭圆将A、B处干涉 条纹圈住展开后分别如对应箭头指示的两子图所示，而后依据A、B计算干涉时间间隔。 本发明实施例通过计算干涉时间点之间如图2所示的连续光干涉条纹的数目便可计算参考 光路和测量光路的光程差。图2中实体为连续光干涉条纹，由于光频梳干涉点A、B之间 连续光干涉条纹较多，故在图2中用虚线椭圆将连续光干涉条部分展开，连续光干涉条纹 如对应箭头所指的子图所示。

声光效应是由于，超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变， 该弹性应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，折射率同时发生周 期性变化，如同一个相位光栅，我们称之为超声光栅。

当光通过这一受到超声波扰动的介质即超声光栅时就会发生衍射现象，由于本发明实 施例中所用超声是脉冲超声，频率固定，故超声光栅不会一直存在即衍射不是一直发生， 又由于发生衍射时零级光强相比于入射光强会发生明显减弱，所以当有超声飞过光束区域 时，在示波器上探测的合束光强信号会出现如图3所示D、E中的明显凹陷，两个凹陷之间的时间差就是超声飞过两束光所需的时间。图3中C处包含由于脉冲声光效应携带的飞行时间信息，C处展开后会出现如对应箭头指示的子图所示的凹陷D、E，凹陷E展开后 如对应箭头所指的子图所示。

实施例1

本发明实施例介绍了一种能利用光学频率梳干涉且现象明显的良好性质，以声光效应 原理与连续光干涉测量距离为基本原理对海水声速剖面进行检测的新方法，目的在于实现 高精度、高稳定度、快速的海水声速剖面测量，参见图3、图4。该方法包括以下步骤：

101：首先用第一分光镜2将光学频率梳1发出的飞秒激光分为垂直的两束光，之后用第二分光镜3将经过第一分光镜2的透射光分为垂直的第一束光3-1、第二束光3-2。而 第一束光3-1通过第一反射镜4后变为第一发射光3-3，第一反射光3-3经过第二反光镜9 后变为与之垂直的第二发射光3-4。第一束光3-1、第一发射光3-3、第二发射光3-4共同 构成测量光路7，第二束光3-2构成参考光路8。

本发明实施例需要保证第二束光3-2与第一发射光3-3平行等高进入水槽5中，然后 接通放置在水槽5中的超声探头6，产生超声。而后测量光路7与参考光路8在第三分光镜10处进行合束，合束后变为第一合束光路25。

其中，合束过程中要保证测量光路7与参考光路8合束完全(即测量光路7与参考光路8经第三分光镜10后光路完全重合)从而确保后续操作。

102：将由第一分光镜2反射的光通过第四分光镜12后，经固定在精密位移平台14上的第四反射镜13反射后按原路返回至第四分光镜12进行反射。运用第四分光镜12进 行反射的过程中，同样要确保干涉光路24与与第一发射光3-3、经第一分光镜3后的透射 光3-2平行等高。

而后将第一合束光路25经第三反射镜11反射，反射后第一合束光路25与干涉光路24在第六分光镜21处进行合束，形成第二合束光路26。用第二光电探测器22对第二合 束光路26进行探测，将光能转化为电能后在示波器23上进行显示，获取飞行时间。

其中，合束过程中要确保干涉光路24与第一合束光路25合束完全(即干涉光路24与第一合束光路25经第六分光镜21后光路完全重合)，从而确保干涉效果明显，提高测 量精度。

103：调整超声探头6的位置，确保超声垂直飞过第二束光3-2、第一发射光3-3。

其中，只有超声垂直飞过两平行光束第二束光3-2、第一发射光3-3才能保证两束光之 间的距离即为超声飞行的距离，再加上由声光效应获取相应距离的飞行时间，才能准确获 取海水声速值。

104：将HeNe激光器20发出的连续光通过第五分光镜18变为两束垂直的光。经第五分光镜18的透射光经第五反射镜15与固定在精密位移平台14上的第四反射镜13反射后 形成第一反射光路27按原路返回至第五分光镜18。经第五分光镜18的反射光经第七反射 镜17反射后形成第二反射光路28按原路返回至第五分光镜18，与第一反射光路27进行 合束，合束后形成第三合束光路29。将第三合束光路29经第六反射镜16反射后由第二光 电探测器19进行探测，将光信号转换为电信号后同时显示在示波器23上，获取飞行距离。

105：根据获取的飞行时间与飞行距离，获取海水声速测量值。

综上所述，本发明实施例以声光效应与干涉法测距为基本原理对海水声速剖面进行检 测，实现了高精度、高稳定度、快速的声速测量。

实施例2

下面结合图3、图4对本发明实施例提供的海水声速剖面测量具体实施方法进行详细 说明。

本发明实施例是基于光学频率梳干涉与声光效应的，光路设计如图3所示，测量步骤 如图4所示，整个方法如下：

步骤201：按光路图搭建测量光路；

步骤202：使精密位移平台14持续运动从而改变干涉光路24与第一反射光路27的光 程；

步骤203：接通超声探头6，调节超声探头6，确保超声垂直飞过两平行光，采集示波器测量数据；

步骤204：依据图1中光学频率梳A、B处的干涉条纹分别获取干涉光路24的光程与测量光路7和参考光路8光程分别相等的时刻点t₁与t₂。计算t₁与t₂间连续光干涉条纹的>

步骤205：依据图1中所示的由于脉冲声光效应引起的光强突变计算声波飞行时间；

步骤206：依据声波飞行距离与飞行时间确定声波在海水中的飞行速度。

综上所述，本发明实施例以光学频率梳干涉与脉冲声光效应为基本原理对海水声速剖 面进行检测，实现了高精度、高稳定性、快速的声速测量；本方法将在海洋标准场等类似 建设工作上发挥积极作用，以其直接现场高精度测量优势替换掉传统海水声速测量方法， 为类似于海洋标准场建设贡献力量。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要 能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号 仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。