海水盐度光电检测装置的研制与现场实验研究

发布时间：2020-10-02 06:08

　　海洋是地球最大的水体,覆盖了地球超过百分之70的表面积,研究海洋,探索海洋是人类社会发展的重要课题。我国建设海洋强国,发展海洋经济,离不开海洋科技的创新与发展。海水作为海洋环境的最基本组成,是研究海洋的基础。海水盐度是海水这一复杂溶液的重要参数。研究海水盐度在各大海域的分布与变化是海洋测绘的重要课题,也是研究海洋中各种水文现象的基础。在最新的盐度标准TEOS-10推出后,光学方法测量盐度引起了广泛的研究热潮,研发相关的海水盐度现场测量装置展开现场测量研究更是其中的热点。目前,国内外的光学盐度测量方法主要以传统折射法的方式展开,虽然可以获得较高的精度与稳定性,但是无法克服其容易受到浑浊水体干扰的缺点。因此,在海洋学盐度分布研究的重点近岸海域,现有的光学盐度现场测量装置存在一定的应用难题,在河口区浑浊环境等特定的应用场景下无法实现对盐度参数的正确获取。因此,本文针对海洋现场盐度测量环境的特点,结合浑浊环境测量的要求,提出了基于光学临界角法对海水盐度进行现场测量研究,并完成了测量装置的研制与现场测量环境下具体实验问题的研究,为光学临界角法在海水盐度高精度现场测量领域的应用奠定基础。论文的主要研究内容有如下几个方面:(1)本论文首先在理论上对海水盐度与折射率测量之间的关系进行了分析与总结,得出了海水盐度与折射率、温度之间的对应关系。并对基于折射率测量的光学盐度测量方法进行了总结,归纳并总结了以上技术在海洋现场应用的优缺点。提出采用基于全内反射的临界角法对海水盐度进行测量,来弥补传统光学方法容易受到浑浊环境干扰的缺点。(2)针对光学方法在海洋现场测量应用上的具体情况,在发挥光学方法测量盐度的理论优势的基础上,设计了可以应用于海洋现场测量的临界角盐度计来完成真实海洋环境下的盐度现场测量。针对海水盐度折射率变化范围小的特点,对样机光学系统进行了相关的优化改进,增强系统有效光场的信号,提高测量系统的信噪比,以实现稳定现场测量的目的。(3)通过一系列的实验室实验,确定了样机对折射率的分辨率。然后从测量重复性和长时间测量稳定性方面对测量的结果进行了评估,确认装置在长时间海洋现场环境测量中是否能够保持稳定,充分验证了所设计临界角盐度计在测量上的可靠性。并通过机械偏移校正技术,防止临界角盐度计在长期使用过程中受机械偏移的干扰,产生明显的测量偏差。在此基础上,充分考虑海水盐度、温度与折射率之间的相互关系,分析了温度变化给测量系统带来的影响,通过完整的温度实验,得出了系统适用的温度补偿参数与相关公式,降低了温度对测量系统带来的误差。(4)针对海水浑浊对目前光学盐度测量方法造成干扰的问题,进行了进一步深入研究。通过使用福尔马肼浊度标准溶液,模拟海洋河口区域浑浊环境,分析了浑浊环境对折射法与临界角法测量光斑的影响,充分验证了临界角盐度测量方法在浑浊环境下测量较传统方法的优越性。在此基础上,创新性地提出对反射光斑图像进行处理的抗干扰算法,提高临界角法与测量装置在浑浊环境下测量的抗干扰能力。(5)使用所研制的临界角盐度计测量样机在实际海洋环境中进行了相关测量实验。在2016年夏季搭乘“东方红2号”海洋科考船参加了黄渤海海洋科考调查,使用临界角盐度计完成了黄海与渤海表面海水折射率参数的走航式测量,验证了测量装置在海洋环境下测量的可行性;2017年夏季,在提升了临界角盐度计测量精度与温度补偿的优化的情况下,搭乘“润江1号”科考船参加了长江口海洋现场科考调查,在海洋实验过程中,实现了临界角盐度计与电导率CTD的同步比测实验,并完成了昼夜潮汐盐度变化实验与剖面盐度测量实验,验证了临界角盐度计在多种海洋测量环境下的适用性。根据临界角盐度计与电导率CTD的同步比测结果,测量的相关系数达到0.994。实现了海水现场测量环境下使用临界角盐度计对海水盐度的有效测量。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH766.14
【部分图文】：

示意图,盐度测量,棱镜法,折射法

图 2-1 折射法盐度测量装置原理（a）基于 PSD 的 V 型棱镜法（b）赵勇团队方法 2-1(a)是法国学者 D.Malarde 提出的一套基于 PSD 位置传感器测量折射度测量装置示意图[43]。图中三角形凹槽由待测海水充满，激光器发射的镜-海水、海水-棱镜两次折射后，由 PSD 接收折射光斑，根据折射光斑定来判断折射率或盐度的测量结果。图 2-1(b)是由中国学者赵勇团队于一套使用多模光纤阵列接收折射光束的盐度测量装置，通过待测海水与光束的折射偏转来测量盐度变化[39-41]。于 SPR（表面等离子体共振）技术对液体折射率进行测量也是一种高精方法。共振吸收现象的产生与光束入射的角度、波长以及待测液体的折[53]。西班牙学者 Díazherrera 和 Esteban 使用光纤作为 SPR 技术的载体，光并与金属层耦合，通过测量表面等离子体共振现象引起的光纤传输功折射率[54, 55]。其测量装置对折射率的测量精度达到 3×10-5RIU，并且实的现场测量。

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中科技大学博士学位论 10oC 到 30oC 之间。虽然在海洋环境中，温度一般不范围的扩大，不同地理位置之间的温度还是存在着较量结果的偏差也非常可观。因此，对于海洋现场研究温度变化测试，以防止设备由于温度变化而产生测量

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中科技大学博士学位论光线在穿过两种不同折射率的介质的交界面时，会在界光线与介质界面法线之间的夹角与入射光线入射角以及体公式表述如公式1 1 2 2n sin =n sin 介质折射入光疏介质时，折射角大于入射角，且折射角射角增大到一定值时，折射角将增大为 90°，即折射光射角称为临界角，记作 α。若入射角达到临界角后继续质，而全部被界面反射回原光密介质，这种现象称为光如图 2-3 所示。

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