基于漫反射激光外差相干的原位密度测量装置及方法

1.本公开涉及光学密度测量技术领域，尤其涉及一种基于漫反射激光外差相干的原位密度测量装置及方法。


背景技术：

2.密度是物质的重要特性和指标，如大气密度、海洋密度，是生态环境观测的重要内容，通过密度可实现大洋温盐环流、气候变化、生物化学、海洋工程以及生态学等领域观测。
3.现有技术中的光学密度测量主要有基于激光偏折的密度检测，但其灵敏度不高，由于受v型槽角度及探测器限制，其动态范围不高，无法实现气液两相兼容测量；表面等离子体法通过金属表面对介质折射率变化敏感特性，但其探测头为金属薄膜，易腐蚀，无法长期在水下工作；高灵敏度马赫-曾德尔干涉仪通过相干原理实现对待测介质实现密度检测，是目前灵敏度最高的方法，但由于采用镜面反射或透射方式，针对不同介质引其光传输的角度差异较大，而相干对两束光的相干角度要求较严格，当介质折射率差异较大时，导致无法相干致使无法实现介质密度测量，因此该方法存在易扰动、动态范围小的问题。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明提供了一种基于漫反射激光外差相干的原位密度测量装置和方法，以解决上述技术问题。
5.本公开的一个方面提供了一种基于漫反射激光外差相干的原位密度测量装置，其特征在于，包括：
6.激光器，用于产生探测激光；
7.外差相干模块，设于所述激光器之后，用于将所述探测激光分为测量光和参考光，使所述测量光穿过透射式漫反射介质密度测量模块探测待测介质，所述测量光的返回光与所述参考光发生干涉，产生干涉光信号，解调所述干涉光信号，输出所述待测介质的密度；
8.透射式漫反射介质密度测量模块，设于所述外差相关模块之后，用于将所述测量光与所述待测介质耦合，并通过漫反射物体使所述测量光的返回光原路返回至所述外差相干模块。
9.可选地，所述外差相干模块包括：
10.第一偏振分光棱镜，用于将所述探测激光分为测量光和参考光；
11.分光棱镜，用于使所述测量光的返回光与所述参考光发生相干；
12.解调系统，用于解调所述干涉光信号，得到并输出所述待测介质的密度。
13.可选地，所述外差相干模块还包括：
14.外差调制器，设于所述第一偏振分光棱镜和所述分光棱镜之间，用于对所述参考光进行外差调制。
15.可选地，所述外差相关模块还包括：
16.第二偏振分光棱镜，设于所述第一偏振分光棱镜和所述分光棱镜之间，用于将所
述测量光的返回光反射至所述分光棱镜；
17.反射镜，设于所述外差调制器与所述分光棱镜之间，用于将所述参考光反射至所述分光棱镜。
18.可选地，所述透射式漫反射介质密度测量模块包括：
19.待测介质测量区，用于设置所述待测介质；
20.漫反射物体，用于当所述测量光穿过所述待测介质测量区后，将所述测量光均匀反射形成原路返回的返回光。
21.可选地，所述透射式漫反射介质密度测量模块还包括：
22.第一光学窗口和第二光学窗口，设于所述待测介质测量区两侧。
23.可选地，所述漫反射物体设于隔振垫片上。
24.本公开的另一个方面提供了一种基于漫反射激光外差相干的原位密度测量方法，应用于第一方面所述的基于漫反射激光外差相干的原位密度测量装置，所述方法包括：
25.发射探测激光；
26.将所述探测激光分为测量光和参考光，使所述测量光穿过透射式漫反射介质密度测量模块探测与所述待测介质耦合，并通过漫反射物体使所述测量光的返回光原路返回至所述外差相干模块，与所述参考光发生干涉，产生干涉光信号；
27.解调所述干涉光信号，输出所述待测介质引起的所述测量光的相位变化信号；
28.基于所述相位变化信号，得到所述待测介质的密度。
29.可选地，所述解调所述干涉光信号，输出所述待测介质引起的所述测量光的相位变化包括：
30.将所述干涉光信息转换为电信号；
31.基于外差中频信号解调算法解调所述电信号，得到所述待测介质的相位变化信号。
32.可选地，所述基于所述相位变化，得到所述待测介质的密度包括：
33.基于所述相位变化信号和所述待测介质的折射率的映射关系，得到所述待测介质的折射率；
34.基于所述折射率和所述待测介质的密度的映射关系，得到所述待测介质的密度。
35.在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
36.本公开提供的基于漫反射激光外差相干的原位密度测量装置和方法可实现高精度、大动态范围下气态、液态、气液两态介质密度测量，在马赫-曾德尔干涉仪基础上，通过结合外差与漫反射物体作为探测光反射的方法，解决了现有干涉测量介质密度存在的问题，从而提高了相干光学密度测量技术，实现了大动态范围、高精度下的介质密度原位测量。
附图说明
37.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
38.图1示意性示出了本公开实施例提供的一种基于漫反射激光外差相干的原位密度测量装置的示意图；
39.图2示意性示出了本公开实施例提供的一种外差相干模块的结构示意图；
40.图3示意性示出了本公开实施例提供的一种透射式漫反射介质密度测量模块的结构框图；
41.图4示意性示出了本公开实施例提供的一种基于漫反射激光外差相干的原位密度测量方法的流程图。
具体实施方式
42.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
43.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
44.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
45.附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。
46.图1示意性示出了本公开实施例提供的一种基于漫反射激光外差相干的原位密度测量装置的示意图。
47.如图1所示，本公开实施例提供的一种基于漫反射激光外差相干的原位密度测量装置包括激光器、外差相干模块和透射式漫反射介质密度测量模块。
48.激光器用于产生探测激光。探测激光待测介质密度测量媒介，通过探测激光与待测介质耦合作用实现介质密度信息获取。本实施例中，探测激光为窄线宽激光器，其波长范围400～700nm范围，用于实现待测介质的密度信息携载。
49.外差相干模块设于所述激光器之后，用于将所述探测激光分为测量光和参考光，使所述测量光穿过透射式漫反射介质密度测量模块探测待测介质，所述测量光的返回光与所述参考光发生干涉，产生干涉光信号，解调所述干涉光信号，输出所述待测介质的密度。
50.透射式漫反射介质密度测量模块设于所述外差相关模块之后，用于将所述测量光与所述待测介质耦合，并通过漫反射物体使所述测量光的返回光原路返回至所述外差相干模块，不发生光偏折，满足相干条件。该模块可以实现对气态、液态、气液混合三种介质实时测量，满足高灵敏、大动态范围的密度测量需求。
51.图2示意性示出了本公开实施例提供的一种外差相干模块的结构示意图。
52.如图2所示，外差相干模块包括第一偏振分光棱镜、分光棱镜和解调系统。
53.第一偏振分光棱镜用于将所述探测激光分为测量光和参考光，可以对测量光和参考光的传输方向进行调节。测量光和参考光的光路不存在重叠。
54.分光棱镜用于使所述测量光的返回光与所述参考光发生相干，并将相干光信号折射至解调系统。
55.解调系统，用于解调所述干涉光信号，得到并输出所述待测介质的密度。
56.在本实施例中，参考光的光路上还设置了外差调制器，具体设于所述第一偏振分光棱镜和所述分光棱镜之间，用于对所述参考光进行外差调制。
57.在本实施例中，外差相干模块还可以包括第二偏振分光棱镜和反射镜。其中，第二偏振分光棱镜，设于所述第一偏振分光棱镜和所述分光棱镜之间，用于将所述测量光的返回光反射至所述分光棱镜；反射镜，设于所述外差调制器与所述分光棱镜之间，用于调节参考光的方向，将所述参考光反射至所述分光棱镜。
58.探测激光经由偏振分光棱镜分为两束后，一束作为参考光经由外差调制器后到达反射镜上，另一束测量光经由偏振分光棱镜、透镜后，被漫反射物体反射回，到达分光棱镜与参考光相干发生干涉，针对干涉光信号经由信号解调输出实现待测介质密度测量。
59.图3示意性示出了本公开实施例提供的一种透射式漫反射介质密度测量模块的结构框图。
60.如图3所示，透射式漫反射介质密度测量模块至少包括待测介质测量区和漫反射物体。
61.待测介质测量区用于设置所述待测介质。待测介质可以是气态、液态、气液两态介质，具有透射性。所述待测介质测量区两侧可以设置第一光学窗口和第二光学窗口。探测激光经由反射镜反射，透过光学窗口到达探测区，透过光学窗口到达漫反射物体，经由漫反射物体，透过光学窗口，经由待测区、光学窗口、反射镜后由外差相干模块中的透镜接收，实现相干。
62.漫反射物体，用于当所述测量光穿过所述待测介质测量区后，将所述测量光均匀反射形成原路返回的返回光。漫反射物体为表面可实现漫反射的朗伯体，对探测光束实现所有方向均匀反射，其中漫反射物体下端通过隔振垫片进行外界环境振动隔离。
63.根据本公开实施例提供的基于漫反射激光外差相干的原位密度测量装置，可实现高精度、大动态范围下气态、液态、气液两态介质密度测量，在马赫-曾德尔干涉仪基础上，通过结合外差与漫反射物体作为探测光反射的方法，解决了现有干涉测量介质密度存在的问题，从而提高了相干光学密度测量技术，实现了大动态范围、高精度下的介质密度原位测量。
64.图4示意性示出了本公开实施例提供的一种基于漫反射激光外差相干的原位密度测量方法的流程图。
65.如图4所示，本公开实施例提供的基于漫反射激光外差相干的原位密度测量方法包括s410～s440。
66.s410，发射探测激光。
67.本实施例中，探测激光为窄线宽激光器，其波长范围400～700nm范围，用于实现待测介质的密度信息携载。
68.s420，将所述探测激光分为测量光和参考光，使所述测量光穿过透射式漫反射介质密度测量模块探测与所述待测介质耦合，并通过漫反射物体使所述测量光的返回光原路返回至所述外差相干模块，与所述参考光发生干涉，产生干涉光信号。
69.本实施例中，探测激光发射后，经过外差相干模块，外差相干模块主要实现探测光与参考光的分束，其中参考光进行外差调制，探测光经由光学元件实现光路定向传输，并实现与参考光的干涉；透射式漫反射介质密度测量区，主要实现对探测光与待测介质间耦合作用，耦合后到达漫反射物体上，探测光发生漫反射后原路返回。经由漫反射物体，返回的探测光光传输路径不变，由以此确保两束光相干，不会由于探测光偏折引起相干度降低或失效问题。
70.s430，解调所述干涉光信号，输出所述待测介质引起的所述测量光的相位变化信号。
71.s430包括s431～s432。
72.s431，将所述干涉光信息转换为电信号。
73.s432，基于外差中频信号解调算法解调所述电信号，得到所述待测介质的相位变化信号。
74.在本实施例中，采用传统的外差中频信号解调算法，实现待测介质相位输出，其中携载待测介质相位信息信号为：
[0075][0076]
其中，a为干涉光光强引起的直流信号，b为干涉光强大小，c为外差调制弧度，为待测介质引起的相位变化，为初始相位。
[0077]
经由解调，可实现相位信号输出，解调的待测介质相位信号为：
[0078][0079]
其中，λ为波长，l为探测激光传输光程变化。
[0080]
s440，基于所述相位变化信号，得到所述待测介质的密度。
[0081]
s440包括s441～s442。
[0082]
s441，基于所述相位变化信号和所述待测介质的折射率的映射关系，得到所述待测介质的折射率。
[0083]
在本实施例中，结合光程与相位理论公式：
[0084]
l＝n
×
s；
[0085]
其中，n待测介质折射率，s为传输路程，此处为常数。
[0086]
s442，基于所述折射率和所述待测介质的密度的映射关系，得到所述待测介质的密度。
[0087]
在本实施例中，基于gladstone-dale方程：
[0088]
n＝k
ρ
1；
[0089]
其中n为待测介质折射率，ρ为待测介质密度，k为测试系统探测激光波长格拉德斯通-戴尔常数。
[0090]
基于上述公式，可得到密度计算公式：
[0091][0092]
本公开提供了一种基于漫反射激光外差相干的原位密度测量方法，该方法及装置可实现大动态范围、气液两态密度同时测量，弥补了现有相干密度监测装置动态范围小问
题；该方法可实现海洋环境下原位密度测量、精度高、不易受环境影响。
[0093]
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
[0094]
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。