孫靜靜 張磊 甄勝來(lái) 曹志剛 張國(guó)生 俞本立

(安徽大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院,信息材料與智能感知安徽省實(shí)驗(yàn)室,光電信息獲取與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230601)

研發(fā)了一套適合深海原位測(cè)量的4000 m 級(jí)激光多普勒熱液流速測(cè)量樣機(jī),該系統(tǒng)采用一體化整體集成式設(shè)計(jì),系統(tǒng)由光源模塊、光學(xué)模塊和多普勒信號(hào)處理模塊三部分組成,封裝于L 500 mm × Φ 205 mm 的耐壓艙中形成一體化光學(xué)測(cè)量探頭.提出了強(qiáng)本振型雙光束激光多普勒測(cè)速光路,原理樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)模擬速度進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量范圍0.01—10 m/s,流速測(cè)量分辨率為0.001 m/s,實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步證明激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)的可行性.之后系統(tǒng)在青島深?；剡M(jìn)行了耐壓試驗(yàn),系統(tǒng)在40 MPa 高壓下,獲取信號(hào)正常.在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院進(jìn)行了速度對(duì)比測(cè)量,在0.01—0.2 m/s 的低速段,與聲學(xué)多普勒流速儀進(jìn)行對(duì)比,最大測(cè)量相對(duì)誤差為—9.43%.在0.8—9.6 m/s 的高速段,與噴咀標(biāo)準(zhǔn)流速系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比,最大相對(duì)測(cè)量誤差為—1.65%.樣機(jī)系統(tǒng)在海南陵水進(jìn)行了淺海試驗(yàn),測(cè)試了樣機(jī)系統(tǒng)隨吊車下放到50 m 水深的下降速度和在水深2 m 處隨船的拖拽速度,試驗(yàn)證明,樣機(jī)系統(tǒng)在淺海環(huán)境中工作正常,獲取速度信號(hào)正常.

1 引言

20 世紀(jì)80 年代相繼在海底發(fā)現(xiàn)熱液、冷泉滲漏以來(lái),隨著研究的深入,人們逐漸認(rèn)識(shí)到海底冷泉及熱液系統(tǒng)連通了大洋巖石圈、海洋水圈以及底棲生物圈,是深海物質(zhì)與能量的運(yùn)輸通道.目前,世界各國(guó)圍繞海底礦產(chǎn)資源勘探和開發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈,海底熱液通過(guò)獨(dú)特的煙囪狀噴口,源源不斷的將巖漿與高溫?zé)嵋簢姲l(fā)至海水中,是地球熱通量和化學(xué)元素循環(huán)的重要影響因素.其定量計(jì)算依賴于對(duì)熱液系統(tǒng)多個(gè)物理參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)定,如熱液區(qū)的規(guī)模、熱液流體的密度、定壓比熱容、熱液流體的溫度、熱液流體的流速等[1].

近年來(lái),拉曼光譜逐漸應(yīng)用于深海極端環(huán)境的原位探測(cè)[2],用于深海熱液物質(zhì)成分識(shí)別和流體中各成分的原位濃度定量分析領(lǐng)域[3].若可以實(shí)現(xiàn)熱液流速測(cè)量,可以為海底熱液輸出的物質(zhì)通量分析提供有效測(cè)試手段,為熱液成礦條件和成礦速率勘測(cè)提供重要參考,還可以了解潮汐作用、構(gòu)造作用、巖漿作用和地震等地質(zhì)作用規(guī)律,研究海底生物群落的分布規(guī)律.海底熱液流速測(cè)量在地質(zhì)、海洋和生態(tài)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值.

流速測(cè)量方法,主要有基于機(jī)械、電磁及動(dòng)壓測(cè)壓法的接觸式測(cè)量[4-6],以及基于聲學(xué)多普勒技術(shù)(ADV)、激光多普勒技術(shù)(LDV)[7-18]和光學(xué)成像分析方法的非接觸式測(cè)量[19-21].接觸式測(cè)量設(shè)備易干擾待測(cè)點(diǎn)流速,且易受熱液高溫、顆粒物等影響,因而限制了其使用.而基于ADV 流速測(cè)量?jī)x器存在無(wú)法直觀看到其測(cè)量點(diǎn)的缺點(diǎn),且空間分辨率不是太高.而光學(xué)成像分析法需要用CCD 相機(jī)記錄下流動(dòng)區(qū)域中示蹤粒子的圖像,因此流場(chǎng)需相對(duì)透明.目前深海的流速測(cè)量方式主要為深海船載走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀[22],實(shí)現(xiàn)海流觀測(cè),而對(duì)于深海熱液流速的測(cè)量還未見報(bào)道.高溫?zé)嵋簢娍诘脑惶綔y(cè)一直是世界性技術(shù)難題,由于苛刻的高溫、高壓、強(qiáng)酸(堿)和渾濁的流體環(huán)境,深海高溫?zé)嵋簢娍谝恢北徽J(rèn)為是光學(xué)鏡頭的禁區(qū).因此,在深海熱液研究中,迫切需要一種非接觸式、受溫度場(chǎng)影響小、精度更高的流速測(cè)量手段,光學(xué)多普勒技術(shù)可以滿足該迫切需求.

本文研發(fā)了一套適合深海原位測(cè)量的4000 m級(jí)激光多普勒熱液流速測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)海底熱液噴口流速的準(zhǔn)確測(cè)量,為物質(zhì)輸出通量、熱液成礦條件和成礦速率勘測(cè)等研究提供關(guān)鍵技術(shù)支撐.

2 實(shí)驗(yàn)方案與裝置

2.1 系統(tǒng)裝置

整個(gè)激光多普勒深海原位熱液流速測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖1 所示,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)從實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā),以實(shí)用性、便攜性、高靈敏、抗干擾為設(shè)計(jì)方向.采用一體化整體集成式設(shè)計(jì),系統(tǒng)由光源系統(tǒng)、激光多普勒光學(xué)與信號(hào)處理系統(tǒng)組成,封裝于L500 mm ×Φ250 mm 的鈦合金耐壓艙中形成一體化光學(xué)測(cè)量探頭,并用深海耐壓電纜與蛟龍?zhí)栠M(jìn)行連接.該系統(tǒng)固定放置于采樣籃內(nèi),下潛至目標(biāo)位置后,由載人潛水器機(jī)械手對(duì)其進(jìn)行控制,移向熱液噴口附近進(jìn)行熱液流速測(cè)量.

圖1 激光多普勒深海原位熱液流速測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Structure diagram of laser Doppler in situ hydrothermal velocity measurement system.

激光器、光學(xué)與信號(hào)處理系統(tǒng)被一體放置與耐壓艙中,其中激光器位于最上方提供光源,光路模塊由于承擔(dān)發(fā)射光和接受光的功能,被布置與耐壓艙的中間層,并與藍(lán)寶石透光窗口同徑,信號(hào)解調(diào)模塊置于耐壓艙中最下層,通過(guò)后端蓋的水密接頭與蛟龍?zhí)栠M(jìn)行連接.系統(tǒng)采用適用于海水測(cè)量的傳輸損耗小、低相位噪聲、低強(qiáng)度噪聲的單頻窄線寬綠光光纖激光器,激光多普勒信號(hào)由光電探測(cè)器采集,經(jīng)過(guò)高速互阻抗平衡探測(cè)電路、緩沖放大、濾波之后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),數(shù)字信號(hào)的處理采用集成了ARM 處理器內(nèi)核與FPGA的SoC 主控芯片及eMMC 高速存儲(chǔ)器作為設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)傅里葉變換、數(shù)據(jù)寫入、頻率檢測(cè)、流速計(jì)算及接口驅(qū)動(dòng)的程序編寫.最終利用RS232 協(xié)議傳遞控制信號(hào)和數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)在蛟龍?zhí)枡C(jī)艙內(nèi)顯示信號(hào)頻譜信息及實(shí)時(shí)流速信息,并實(shí)時(shí)診斷設(shè)備工作狀態(tài).

2.2 檢測(cè)原理

已有激光多普勒測(cè)速儀主要采用雙光束-雙散射模式,但由于利用流體中顆粒的散射光獲取速度信息,散射光強(qiáng)度比較微弱,特別是在只能利用強(qiáng)度更弱的后向散射光的場(chǎng)合,信號(hào)的拾取比較困難.另外,若雙光束的平分線與所測(cè)速度沒(méi)有完全垂直,則會(huì)引入測(cè)量誤差.最后,雙光束方案中要求探測(cè)光在待測(cè)點(diǎn)嚴(yán)格交叉,導(dǎo)致此類系統(tǒng)對(duì)光機(jī)穩(wěn)定性要求極高,在部分嚴(yán)苛環(huán)境,如水下高壓環(huán)境、跨界面測(cè)量且存在一定界面波動(dòng)條件下使用時(shí)穩(wěn)定性受限,本文首次提出了一種強(qiáng)本振型雙光束激光多普勒測(cè)速系統(tǒng).

強(qiáng)本振型多普勒測(cè)速系統(tǒng)的原理如圖2 所示,其構(gòu)成包括激光器、耦合器、準(zhǔn)直器、分束棱鏡、反射鏡、凸透鏡、縮束透鏡組、聲光調(diào)制器、離軸拋物面鏡、匯聚透鏡、光電探測(cè)器等.利用光纖耦合器將窄線寬綠光激光器的輸出光束分為兩束,分別作為本振光束和測(cè)量光束.測(cè)量光束經(jīng)分束棱鏡形成強(qiáng)度相等的雙光束,聚焦照射到微粒上,形成攜帶流速信息的散射信號(hào)光束.本振光束經(jīng)過(guò)光纖聲光調(diào)制器產(chǎn)生f′頻移,與散射信號(hào)光合束,此干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)聚焦透鏡到達(dá)光電探測(cè)器,以生成拍頻信號(hào),利用此拍頻信號(hào)計(jì)算流體的流速.

圖2 強(qiáng)本振型激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)光路圖Fig.2.Optical path diagram of laser Doppler velocimetry system.

以上結(jié)構(gòu)中,激光器的輸出光經(jīng)過(guò)光纖耦合器分為兩束,分別作為本振光束和測(cè)量光束.其中本振光束經(jīng)過(guò)光纖聲光調(diào)制器產(chǎn)生頻移,測(cè)量光束入射到半透半反的分束棱鏡上,被分成兩束強(qiáng)度相等的平行激光入射到凸透鏡后,匯聚到一點(diǎn),粒子垂直于兩匯聚光束的平分線通過(guò)此聚焦點(diǎn),受待測(cè)速粒子運(yùn)動(dòng)的影響,照射到粒子上的兩束激光的頻率都產(chǎn)生多普勒頻移;由于兩束匯聚激光束與運(yùn)動(dòng)粒子方向的夾角不同,兩束散射光所產(chǎn)生的多普勒頻移量也不同.因此兩束散射光被探測(cè)器收集后,與到達(dá)探測(cè)器的本振光束產(chǎn)生的拍頻信號(hào)有兩個(gè)多普勒頻移,利用這兩個(gè)多普勒頻移計(jì)算待測(cè)流體的速度.

入射雙光束照射到粒子上形成的兩束散射光與參考光被探測(cè)器PD 接收,產(chǎn)生拍頻信號(hào),如圖3所示.若速度vp的方向正好與雙光束的平分線垂直,則拍頻信號(hào)的頻率分別為

圖3 強(qiáng)本振型測(cè)速系統(tǒng)接收光路示意圖Fig.3.Schematic diagram of receiving optical path of velocimeter.

式中eo1和eo2分別為入射光方向上的單位矢量,es為散射光方向上的單位矢量,f′為聲光調(diào)制器產(chǎn)生的頻移.則分別獲取fsD1和fsD2,并相減,由此即可得到速度νp.

式中,κ為入射光與光軸之間的夾角,λ為光波在介質(zhì)中的波長(zhǎng),νp垂直于雙光束平分線.更一般地,若雙光束平分線的垂直線與流速的夾角為θ,則方向es上的兩散射光與參考光的拍頻分別為

此光路結(jié)構(gòu),相對(duì)于現(xiàn)有的雙光束雙散射模式,可以提高微弱后向散射光檢測(cè)能力;可以消除系統(tǒng)在雙光束所在平面內(nèi)的偏轉(zhuǎn)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響,可以獲得系統(tǒng)在此平面內(nèi)相對(duì)于目標(biāo)物的偏轉(zhuǎn)角;可以降低系統(tǒng)對(duì)光機(jī)穩(wěn)定性的要求,拓展使用范圍.

3 試驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果

利用ANSYS Workbench 中Mechanical 模塊對(duì)耐壓艙在深海高壓環(huán)境下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬仿真,可知耐壓艙最大形變位置在底部端蓋中心位置.若耐壓艙隨蛟龍?zhí)栂聺摰胶５?000 m 時(shí),仿真結(jié)果為耐壓艙最大變形量0.43 mm,為最大外形直徑尺寸的0.16%.為了測(cè)試激光多普勒深海熱液流速測(cè)量系統(tǒng)帶電耐壓工作情況,在青島國(guó)家深?；毓芾碇行倪M(jìn)行了帶電耐壓試驗(yàn),以熱液流速模擬裝置的噴口流速作為測(cè)試目標(biāo),觀察激光多普勒信號(hào)的變化情況.嚴(yán)格按照蛟龍?zhí)柕纳仙拖聺撍俣?最高測(cè)試壓力40 MPa,保壓20 min,系統(tǒng)信號(hào)獲取正常.

為了驗(yàn)證強(qiáng)本振型激光多普勒測(cè)速方法的可行性,選用轉(zhuǎn)速可調(diào)的轉(zhuǎn)盤作為待測(cè)物體,選擇轉(zhuǎn)盤上的點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn),測(cè)量此點(diǎn)的切線方向的速度.利用信號(hào)頻譜中的兩個(gè)頻移峰,由(6)式和(7)式計(jì)算得轉(zhuǎn)盤上一點(diǎn)的切向速度為9.1969 m/s,此速度方向與雙光束平分線垂直方向夾角θ=24.40°.作為對(duì)比,測(cè)量轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)頻率為17.36 Hz,檢定旋轉(zhuǎn)半徑r=0.084 m,計(jì)算速度為9.1577 m/s,測(cè)量結(jié)果與實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度吻合較好,測(cè)量誤差在0.43%.若采用經(jīng)典的雙光束激光多普勒測(cè)速系統(tǒng),由于只能測(cè)量雙光束平分線垂直方向上的速度分量,測(cè)量誤差達(dá)到8.9%.因此強(qiáng)本振型激光多普勒測(cè)速減小了由于系統(tǒng)位置偏轉(zhuǎn)帶來(lái)的測(cè)量誤差.

圖4 描繪了雙光束平分線的垂直線與流速的夾角θ=10° 時(shí),系統(tǒng)測(cè)量速度與轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)頻率間的關(guān)系,并繪出由旋轉(zhuǎn)頻率和檢定半徑確定的計(jì)算速度,測(cè)量值與計(jì)算值吻合較好,最大測(cè)量誤差為4.4%.由(6)式和(7)式可知,和θ的求解依賴光波在介質(zhì)中的波長(zhǎng)λ、入射光與光軸之間的夾角κ和拍頻.在應(yīng)用公式進(jìn)行多普勒頻移計(jì)算時(shí),認(rèn)為激光器的輸出為理想的單頻光波,因此激光波長(zhǎng)的穩(wěn)定與否將直接影響測(cè)量的精度.而夾角κ的測(cè)量雖然經(jīng)過(guò)了多次平均,其誤差也將引起速度測(cè)量的誤差.頻譜的加寬會(huì)使獲取的存在誤差,而頻譜加寬的原因是散射物體傳過(guò)測(cè)量體的有限渡越時(shí)間、散射體中的速度脈動(dòng)、頻譜分析儀的濾波特性等.除此以外,在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中還包括其他因素導(dǎo)致的誤差.比如,轉(zhuǎn)盤速度穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的測(cè)量誤差、以及轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的誤差等.

圖4 速度與轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)頻率間的關(guān)系Fig.4.Relationship between speed and turntable rotation frequency.

為了驗(yàn)證激光多普勒系統(tǒng)測(cè)量水流速度的準(zhǔn)確性,在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,利用超聲波多普勒流速儀對(duì)0.01—0.2 m/s 的低速段流速進(jìn)行比對(duì)測(cè)試.超聲波多普勒流速儀(ADV)的流速測(cè)量范圍為0—3 m/s,測(cè)量精度為 ± 0.5%,采樣頻率為100 Hz.測(cè)試時(shí),超聲波多普勒流速儀垂直固定在水槽上方的測(cè)試架上,探頭水平安裝.激光多普勒深海熱液流速測(cè)量系統(tǒng)(LDV)安裝在水槽一側(cè),系統(tǒng)發(fā)射的兩束激光通過(guò)水槽有機(jī)玻璃側(cè)壁射入水中,兩束激光焦點(diǎn)匯聚于水槽中心,距超聲波多普勒流速儀測(cè)點(diǎn)上游1 cm 處,設(shè)備的安裝測(cè)試圖如圖5(a)所示.分別設(shè)定12 個(gè)速度節(jié)點(diǎn),流速穩(wěn)定后,同時(shí)采樣測(cè)量,每次采樣時(shí)長(zhǎng)3 min,測(cè)試結(jié)果如圖5(b)所示,激光多普勒深海熱液流速測(cè)量系統(tǒng)與超聲波多普勒流速儀測(cè)量流速值最大相對(duì)測(cè)量誤差為—9.43%.誤差產(chǎn)生的原因?yàn)樗壑兴鞯姆€(wěn)定性具有相對(duì)性,并且ADV 所測(cè)流速為測(cè)量體積(L10 mm ×Φ15 mm)內(nèi)的平均速度,而LDV 為點(diǎn)式測(cè)量,空間分辨率為幾十微米量級(jí).

圖5 激光多普勒深海熱液流速測(cè)量系統(tǒng)與超聲波流速儀對(duì)比測(cè)試 (a)低流速對(duì)比設(shè)備安裝圖;(b)低流速對(duì)比測(cè)試結(jié)果及誤差Fig.5.Comparison test of laser Doppler velocimetry system and acoustic Doppler velocimeter:(a) Equipment installation diagram of low-speed comparison;(b) low-speed comparison test results and errors.

利用噴咀法對(duì)1—10 m/s 的高速段流速進(jìn)行比對(duì)測(cè)試,系統(tǒng)的特殊裝置保證噴口流速均勻分布,測(cè)試時(shí)儀器安裝于噴咀上方,系統(tǒng)發(fā)出兩束激光交叉于水中,如圖6(a)所示.噴咀標(biāo)準(zhǔn)流速系統(tǒng)分別設(shè)定14 個(gè)速度節(jié)點(diǎn),激光多普勒流速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量噴口處的流速.目前此流速標(biāo)定裝置最高流量為302 L/s,折合為9.7 m/s,噴咀標(biāo)準(zhǔn)流速系統(tǒng)設(shè)定的速度值與激光多普勒流速系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)在高速段最大測(cè)量誤差為1.65%,如圖6(b)所示.此流速段平均相對(duì)測(cè)量誤差較小,噴咀標(biāo)準(zhǔn)流速系統(tǒng)噴口處的流速穩(wěn)定,誤差產(chǎn)生的原因主要是高流速段頻譜展寬影響所致.

圖6 激光多普勒深海熱液流速測(cè)量系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)噴咀流速系統(tǒng)對(duì)比測(cè)試 (a)高速對(duì)比設(shè)備安裝圖;(b)高流速對(duì)比測(cè)試結(jié)果及誤差Fig.6.Comparison test of laser Doppler velocimetry system and standard nozzle flow system:(a) Equipment installation diagram of high-speed comparison;(b) high-speed comparison test results and errors.

基于以上試驗(yàn)結(jié)果,在海南陵水對(duì)激光多普勒深海熱液流速測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行淺海實(shí)驗(yàn),吊車下放系統(tǒng)到達(dá)水下50 m 處,系統(tǒng)測(cè)量此過(guò)程中的下降速度,速度數(shù)據(jù)獲取正常.將系統(tǒng)懸掛在船尾,對(duì)系統(tǒng)隨船的拖拽速度進(jìn)行測(cè)量,并與聲學(xué)多普勒測(cè)速系統(tǒng)所測(cè)速度值進(jìn)行對(duì)比,所測(cè)拖拽速度隨時(shí)間變化關(guān)系曲線如圖7 所示,結(jié)果表明兩者測(cè)試的拖拽速度相對(duì)誤差為8.4%.

圖7 淺海試驗(yàn)中,LDV 與ADV 所測(cè)拖拽速度對(duì)比圖Fig.7.Comparison of towing speed measured by LDV and ADV in shallow sea test.

4 結(jié)論

針對(duì)深海熱液流速原位測(cè)量的需求,搭建了一套激光多普勒流速測(cè)量原理樣機(jī)并進(jìn)行了耐壓試驗(yàn)及流速對(duì)比試驗(yàn).該原理樣機(jī)長(zhǎng)500 mm,直徑205 mm,通過(guò)水密線與外界進(jìn)行供電與通訊,考慮海水對(duì)藍(lán)綠光低損耗,內(nèi)部采用窄線寬綠光激光器,波長(zhǎng)為532 nm,激光器發(fā)出的光束經(jīng)分束棱鏡分成等強(qiáng)度的雙光束并聚焦待測(cè)水流,水流中粒子的后向散射光經(jīng)光電探測(cè)器采集后處理得到流速信息.

利用該試驗(yàn)樣機(jī)在青島深?；剡M(jìn)行了耐壓試驗(yàn),在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院進(jìn)行了速度對(duì)比試驗(yàn),在主要流速段的測(cè)量誤差均小于5%.在海南陵水進(jìn)行了淺海試驗(yàn),吊車將系統(tǒng)下放到水下50 m 處,測(cè)試了系統(tǒng)的下降速度,信號(hào)獲取良好.將激光多普勒深海熱液流速測(cè)量系統(tǒng)和超聲波多普勒流速計(jì)共同懸掛在船尾,使其位于水下2 m處,測(cè)試隨船的拖拽速度,試驗(yàn)結(jié)果表明兩者測(cè)試的拖拽速度相對(duì)誤差為8.4%.試驗(yàn)結(jié)果證明了激光多普勒流速測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行深海原位熱液流速測(cè)量的可行性.