海洋是地球最大的水體,覆蓋了地球超過百分之70的表面積,研究海洋,探索海洋是人類社會(huì)發(fā)展的重要課題。我國(guó)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó),發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì),離不開海洋科技的創(chuàng)新與發(fā)展。海水作為海洋環(huán)境的最基本組成,是研究海洋的基礎(chǔ)。海水鹽度是海水這一復(fù)雜溶液的重要參數(shù)。研究海水鹽度在各大海域的分布與變化是海洋測(cè)繪的重要課題,也是研究海洋中各種水文現(xiàn)象的基礎(chǔ)。在最新的鹽度標(biāo)準(zhǔn)TEOS-10推出后,光學(xué)方法測(cè)量鹽度引起了廣泛的研究熱潮,研發(fā)相關(guān)的海水鹽度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置展開現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量研究更是其中的熱點(diǎn)。目前,國(guó)內(nèi)外的光學(xué)鹽度測(cè)量方法主要以傳統(tǒng)折射法的方式展開,雖然可以獲得較高的精度與穩(wěn)定性,但是無法克服其容易受到渾濁水體干擾的缺點(diǎn)。因此,在海洋學(xué)鹽度分布研究的重點(diǎn)近岸海域,現(xiàn)有的光學(xué)鹽度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置存在一定的應(yīng)用難題,在河口區(qū)渾濁環(huán)境等特定的應(yīng)用場(chǎng)景下無法實(shí)現(xiàn)對(duì)鹽度參數(shù)的正確獲取。因此,本文針對(duì)海洋現(xiàn)場(chǎng)鹽度測(cè)量環(huán)境的特點(diǎn),結(jié)合渾濁環(huán)境測(cè)量的要求,提出了基于光學(xué)臨界角法對(duì)海水鹽度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量研究,并完成了測(cè)量裝置的研制與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境下具體實(shí)驗(yàn)問題的研究,為光學(xué)臨界角法在海水鹽度高精度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。論文的主要研究?jī)?nèi)容有如下幾個(gè)方面:(1)本論文首先在理論上對(duì)海水鹽度與折射率測(cè)量之間的關(guān)系進(jìn)行了分析與總結(jié),得出了海水鹽度與折射率、溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。并對(duì)基于折射率測(cè)量的光學(xué)鹽度測(cè)量方法進(jìn)行了總結(jié),歸納并總結(jié)了以上技術(shù)在海洋現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)。提出采用基于全內(nèi)反射的臨界角法對(duì)海水鹽度進(jìn)行測(cè)量,來彌補(bǔ)傳統(tǒng)光學(xué)方法容易受到渾濁環(huán)境干擾的缺點(diǎn)。(2)針對(duì)光學(xué)方法在海洋現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量應(yīng)用上的具體情況,在發(fā)揮光學(xué)方法測(cè)量鹽度的理論優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了可以應(yīng)用于海洋現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的臨界角鹽度計(jì)來完成真實(shí)海洋環(huán)境下的鹽度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。針對(duì)海水鹽度折射率變化范圍小的特點(diǎn),對(duì)樣機(jī)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的優(yōu)化改進(jìn),增強(qiáng)系統(tǒng)有效光場(chǎng)的信號(hào),提高測(cè)量系統(tǒng)的信噪比,以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的目的。(3)通過一系列的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn),確定了樣機(jī)對(duì)折射率的分辨率。然后從測(cè)量重復(fù)性和長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量穩(wěn)定性方面對(duì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估,確認(rèn)裝置在長(zhǎng)時(shí)間海洋現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境測(cè)量中是否能夠保持穩(wěn)定,充分驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)臨界角鹽度計(jì)在測(cè)量上的可靠性。并通過機(jī)械偏移校正技術(shù),防止臨界角鹽度計(jì)在長(zhǎng)期使用過程中受機(jī)械偏移的干擾,產(chǎn)生明顯的測(cè)量偏差。在此基礎(chǔ)上,充分考慮海水鹽度、溫度與折射率之間的相互關(guān)系,分析了溫度變化給測(cè)量系統(tǒng)帶來的影響,通過完整的溫度實(shí)驗(yàn),得出了系統(tǒng)適用的溫度補(bǔ)償參數(shù)與相關(guān)公式,降低了溫度對(duì)測(cè)量系統(tǒng)帶來的誤差。(4)針對(duì)海水渾濁對(duì)目前光學(xué)鹽度測(cè)量方法造成干擾的問題,進(jìn)行了進(jìn)一步深入研究。通過使用福爾馬肼濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液,模擬海洋河口區(qū)域渾濁環(huán)境,分析了渾濁環(huán)境對(duì)折射法與臨界角法測(cè)量光斑的影響,充分驗(yàn)證了臨界角鹽度測(cè)量方法在渾濁環(huán)境下測(cè)量較傳統(tǒng)方法的優(yōu)越性。在此基礎(chǔ)上,創(chuàng)新性地提出對(duì)反射光斑圖像進(jìn)行處理的抗干擾算法,提高臨界角法與測(cè)量裝置在渾濁環(huán)境下測(cè)量的抗干擾能力。(5)使用所研制的臨界角鹽度計(jì)測(cè)量樣機(jī)在實(shí)際海洋環(huán)境中進(jìn)行了相關(guān)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。在2016年夏季搭乘“東方紅2號(hào)”海洋科考船參加了黃渤海海洋科考調(diào)查,使用臨界角鹽度計(jì)完成了黃海與渤海表面海水折射率參數(shù)的走航式測(cè)量,驗(yàn)證了測(cè)量裝置在海洋環(huán)境下測(cè)量的可行性;2017年夏季,在提升了臨界角鹽度計(jì)測(cè)量精度與溫度補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化的情況下,搭乘“潤(rùn)江1號(hào)”科考船參加了長(zhǎng)江口海洋現(xiàn)場(chǎng)科考調(diào)查,在海洋實(shí)驗(yàn)過程中,實(shí)現(xiàn)了臨界角鹽度計(jì)與電導(dǎo)率CTD的同步比測(cè)實(shí)驗(yàn),并完成了晝夜潮汐鹽度變化實(shí)驗(yàn)與剖面鹽度測(cè)量實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了臨界角鹽度計(jì)在多種海洋測(cè)量環(huán)境下的適用性。根據(jù)臨界角鹽度計(jì)與電導(dǎo)率CTD的同步比測(cè)結(jié)果,測(cè)量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.994。實(shí)現(xiàn)了海水現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境下使用臨界角鹽度計(jì)對(duì)海水鹽度的有效測(cè)量。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH766.14
【部分圖文】：

圖 2-1 折射法鹽度測(cè)量裝置原理（a）基于 PSD 的 V 型棱鏡法（b）趙勇團(tuán)隊(duì)方法 2-1(a)是法國(guó)學(xué)者 D.Malarde 提出的一套基于 PSD 位置傳感器測(cè)量折射度測(cè)量裝置示意圖[43]。圖中三角形凹槽由待測(cè)海水充滿，激光器發(fā)射的鏡-海水、海水-棱鏡兩次折射后，由 PSD 接收折射光斑，根據(jù)折射光斑定來判斷折射率或鹽度的測(cè)量結(jié)果。圖 2-1(b)是由中國(guó)學(xué)者趙勇團(tuán)隊(duì)于 一套使用多模光纖陣列接收折射光束的鹽度測(cè)量裝置，通過待測(cè)海水與光束的折射偏轉(zhuǎn)來測(cè)量鹽度變化[39-41]。于 SPR（表面等離子體共振）技術(shù)對(duì)液體折射率進(jìn)行測(cè)量也是一種高精方法。共振吸收現(xiàn)象的產(chǎn)生與光束入射的角度、波長(zhǎng)以及待測(cè)液體的折[53]。西班牙學(xué)者 Díazherrera 和 Esteban 使用光纖作為 SPR 技術(shù)的載體，光并與金屬層耦合，通過測(cè)量表面等離子體共振現(xiàn)象引起的光纖傳輸功折射率[54, 55]。其測(cè)量裝置對(duì)折射率的測(cè)量精度達(dá)到 3×10-5RIU，并且實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 10oC 到 30oC 之間。雖然在海洋環(huán)境中，溫度一般不范圍的擴(kuò)大，不同地理位置之間的溫度還是存在著較量結(jié)果的偏差也非常可觀。因此，對(duì)于海洋現(xiàn)場(chǎng)研究溫度變化測(cè)試，以防止設(shè)備由于溫度變化而產(chǎn)生測(cè)量

中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論光線在穿過兩種不同折射率的介質(zhì)的交界面時(shí)，會(huì)在界光線與介質(zhì)界面法線之間的夾角與入射光線入射角以及體公式表述如公式1 1 2 2n sin =n sin 介質(zhì)折射入光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角，且折射角射角增大到一定值時(shí)，折射角將增大為 90°，即折射光射角稱為臨界角，記作 α。若入射角達(dá)到臨界角后繼續(xù)質(zhì)，而全部被界面反射回原光密介質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為光如圖 2-3 所示。

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本文編號(hào)：2832023