海水盐度光电检测装置的研制与现场实验研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 课题背景
•   1.2 海水盐度测量的发展
•   1.3 光学盐度测量方法的优势
•   1.4 本论文的主要内容
• 2 基于折射率测量的海水盐度测量方法研究
•   2.1 海水盐度与折射率基本关系
•   2.2 常见的海水盐度测量的光学方法
•   2.3 海水盐度与折射率反演算法研究
•   2.4 基于光学临界角法的折射率测量技术
•   2.5 本章小结
• 3 临界角盐度计研制与优化
•   3.1 临界角盐度计设计指标
•   3.2 临界角盐度计光学结构设计
•   3.3 临界角盐度计电路系统结构
•   3.4 临界角盐度计图像处理方法
•   3.5 临界角盐度计机械外壳与水密结构设计
•   3.6 本章小结
• 4 临界角盐度计系统实验研究
•   4.1 临界角盐度计系统标定原理与实验
•   4.2 临界角盐度计测量可靠性实验
•   4.3 机械位置偏移校正技术研究
•   4.4 临界角盐度计温度影响与校正
•   4.5 本章小结
• 5 海水浑浊环境对盐度测量干扰及抗干扰算法研究
•   5.1 海水浑浊环境颗粒组成及散射类型
•   5.2 浊度的基本概念与实验样品制备
•   5.3 浑浊溶液对光学方法测量的影响
•   5.4 浑浊环境对临界角法盐度计测量影响分析
•   5.5 抗干扰方法研究及效果分析
•   5.6 本章小结
• 6 海洋环境海水盐度测量现场实验
•   6.1 海水盐度测量现场装置与测量环境
•   6.2 黄渤海海水盐度变化趋势现场测量
•   6.3 长江口海水盐度现场比测实验研究
•   6.4 本章小结
• 7 总结与展望
•   7.1 总结
•   7.2 创新点总结
•   7.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈俊尧

导师: 夏珉

关键词: 海水盐度,海洋现场测量,浑浊环境,光学临界角法,抗干扰方法,盐度测量,临界角盐度计

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,仪器仪表工业

单位: 华中科技大学

分类号: TH766.14

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.003805

总页数: 115

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