深海原位激光多普勒測速系統*

孫靜靜 張磊 甄勝來 曹志剛 張國生 俞本立

(安徽大學物理與材料科學學院,信息材料與智能感知安徽省實驗室,光電信息獲取與控制教育部重點實驗室,合肥 230601)

研發了一套適合深海原位測量的4000 m 級激光多普勒熱液流速測量樣機,該系統采用一體化整體集成式設計,系統由光源模塊、光學模塊和多普勒信號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測量探頭.提出了強本振型雙光束激光多普勒測速光路,原理樣機在實驗室對模擬速度進行測量,測量范圍0.01—10 m/s,流速測量分辨率為0.001 m/s,實驗結果初步證明激光多普勒測速系統的可行性.之后系統在青島深海基地進行了耐壓試驗,系統在40 MPa 高壓下,獲取信號正常.在中國水利水電科學研究院進行了速度對比測量,在0.01—0.2 m/s 的低速段,與聲學多普勒流速儀進行對比,最大測量相對誤差為—9.43%.在0.8—9.6 m/s 的高速段,與噴咀標準流速系統進行對比,最大相對測量誤差為—1.65%.樣機系統在海南陵水進行了淺海試驗,測試了樣機系統隨吊車下放到50 m 水深的下降速度和在水深2 m 處隨船的拖拽速度,試驗證明,樣機系統在淺海環境中工作正常,獲取速度信號正常.

1 引言

20 世紀80 年代相繼在海底發現熱液、冷泉滲漏以來,隨著研究的深入,人們逐漸認識到海底冷泉及熱液系統連通了大洋巖石圈、海洋水圈以及底棲生物圈,是深海物質與能量的運輸通道.目前,世界各國圍繞海底礦產資源勘探和開發的競爭愈發激烈,海底熱液通過獨特的煙囪狀噴口,源源不斷的將巖漿與高溫熱液噴發至海水中,是地球熱通量和化學元素循環的重要影響因素.其定量計算依賴于對熱液系統多個物理參數的準確測定,如熱液區的規模、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,拉曼光譜逐漸應用于深海極端環境的原位探測[2],用于深海熱液物質成分識別和流體中各成分的原位濃度定量分析領域[3].若可以實現熱液流速測量,可以為海底熱液輸出的物質通量分析提供有效測試手段,為熱液成礦條件和成礦速率勘測提供重要參考,還可以了解潮汐作用、構造作用、巖漿作用和地震等地質作用規律,研究海底生物群落的分布規律.海底熱液流速測量在地質、海洋和生態學等多個領域都具有重要的應用價值.

流速測量方法,主要有基于機械、電磁及動壓測壓法的接觸式測量[4-6],以及基于聲學多普勒技術(ADV)、激光多普勒技術(LDV)[7-18]和光學成像分析方法的非接觸式測量[19-21].接觸式測量設備易干擾待測點流速,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 流速測量儀器存在無法直觀看到其測量點的缺點,且空間分辨率不是太高.而光學成像分析法需要用CCD 相機記錄下流動區域中示蹤粒子的圖像,因此流場需相對透明.目前深海的流速測量方式主要為深海船載走航式聲學多普勒流速剖面儀[22],實現海流觀測,而對于深海熱液流速的測量還未見報道.高溫熱液噴口的原位探測一直是世界性技術難題,由于苛刻的高溫、高壓、強酸(堿)和渾濁的流體環境,深海高溫熱液噴口一直被認為是光學鏡頭的禁區.因此,在深海熱液研究中,迫切需要一種非接觸式、受溫度場影響小、精度更高的流速測量手段,光學多普勒技術可以滿足該迫切需求.

本文研發了一套適合深海原位測量的4000 m級激光多普勒熱液流速測量系統,實現海底熱液噴口流速的準確測量,為物質輸出通量、熱液成礦條件和成礦速率勘測等研究提供關鍵技術支撐.

2 實驗方案與裝置

2.1 系統裝置

整個激光多普勒深海原位熱液流速測量系統示意圖如圖1 所示,該系統設計從實際應用需求出發,以實用性、便攜性、高靈敏、抗干擾為設計方向.采用一體化整體集成式設計,系統由光源系統、激光多普勒光學與信號處理系統組成,封裝于L500 mm ×Φ250 mm 的鈦合金耐壓艙中形成一體化光學測量探頭,并用深海耐壓電纜與蛟龍號進行連接.該系統固定放置于采樣籃內,下潛至目標位置后,由載人潛水器機械手對其進行控制,移向熱液噴口附近進行熱液流速測量.

圖1 激光多普勒深海原位熱液流速測量系統結構示意圖Fig.1.Structure diagram of laser Doppler in situ hydrothermal velocity measurement system.

激光器、光學與信號處理系統被一體放置與耐壓艙中,其中激光器位于最上方提供光源,光路模塊由于承擔發射光和接受光的功能,被布置與耐壓艙的中間層,并與藍寶石透光窗口同徑,信號解調模塊置于耐壓艙中最下層,通過后端蓋的水密接頭與蛟龍號進行連接.系統采用適用于海水測量的傳輸損耗小、低相位噪聲、低強度噪聲的單頻窄線寬綠光光纖激光器,激光多普勒信號由光電探測器采集,經過高速互阻抗平衡探測電路、緩沖放大、濾波之后通過模數轉換電路轉化為數字信號,數字信號的處理采用集成了ARM 處理器內核與FPGA的SoC 主控芯片及eMMC 高速存儲器作為設計方案,實現傅里葉變換、數據寫入、頻率檢測、流速計算及接口驅動的程序編寫.最終利用RS232 協議傳遞控制信號和數據,實現在蛟龍號機艙內顯示信號頻譜信息及實時流速信息,并實時診斷設備工作狀態.

2.2 檢測原理

已有激光多普勒測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,散射光強度比較微弱,特別是在只能利用強度更弱的后向散射光的場合,信號的拾取比較困難.另外,若雙光束的平分線與所測速度沒有完全垂直,則會引入測量誤差.最后,雙光束方案中要求探測光在待測點嚴格交叉,導致此類系統對光機穩定性要求極高,在部分嚴苛環境,如水下高壓環境、跨界面測量且存在一定界面波動條件下使用時穩定性受限,本文首次提出了一種強本振型雙光束激光多普勒測速系統.

強本振型多普勒測速系統的原理如圖2 所示,其構成包括激光器、耦合器、準直器、分束棱鏡、反射鏡、凸透鏡、縮束透鏡組、聲光調制器、離軸拋物面鏡、匯聚透鏡、光電探測器等.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量光束.測量光束經分束棱鏡形成強度相等的雙光束,聚焦照射到微粒上,形成攜帶流速信息的散射信號光束.本振光束經過光纖聲光調制器產生f′頻移,與散射信號光合束,此干涉信號經過聚焦透鏡到達光電探測器,以生成拍頻信號,利用此拍頻信號計算流體的流速.

圖2 強本振型激光多普勒測速系統光路圖Fig.2.Optical path diagram of laser Doppler velocimetry system.

以上結構中,激光器的輸出光經過光纖耦合器分為兩束,分別作為本振光束和測量光束.其中本振光束經過光纖聲光調制器產生頻移,測量光束入射到半透半反的分束棱鏡上,被分成兩束強度相等的平行激光入射到凸透鏡后,匯聚到一點,粒子垂直于兩匯聚光束的平分線通過此聚焦點,受待測速粒子運動的影響,照射到粒子上的兩束激光的頻率都產生多普勒頻移;由于兩束匯聚激光束與運動粒子方向的夾角不同,兩束散射光所產生的多普勒頻移量也不同.因此兩束散射光被探測器收集后,與到達探測器的本振光束產生的拍頻信號有兩個多普勒頻移,利用這兩個多普勒頻移計算待測流體的速度.

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器PD 接收,產生拍頻信號,如圖3所示.若速度vp的方向正好與雙光束的平分線垂直,則拍頻信號的頻率分別為

圖3 強本振型測速系統接收光路示意圖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′為聲光調制器產生的頻移.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為光波在介質中的波長,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

此光路結構,相對于現有的雙光束雙散射模式,可以提高微弱后向散射光檢測能力;可以消除系統在雙光束所在平面內的偏轉對測量準確度的影響,可以獲得系統在此平面內相對于目標物的偏轉角;可以降低系統對光機穩定性的要求,拓展使用范圍.

3 試驗測試及結果

利用ANSYS Workbench 中Mechanical 模塊對耐壓艙在深海高壓環境下的應力分布情況進行模擬仿真,可知耐壓艙最大形變位置在底部端蓋中心位置.若耐壓艙隨蛟龍號下潛到海底7000 m 時,仿真結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%.為了測試激光多普勒深海熱液流速測量系統帶電耐壓工作情況,在青島國家深海基地管理中心進行了帶電耐壓試驗,以熱液流速模擬裝置的噴口流速作為測試目標,觀察激光多普勒信號的變化情況.嚴格按照蛟龍號的上升和下潛速度,最高測試壓力40 MPa,保壓20 min,系統信號獲取正常.

為了驗證強本振型激光多普勒測速方法的可行性,選用轉速可調的轉盤作為待測物體,選擇轉盤上的點作為測試點,測量此點的切線方向的速度.利用信號頻譜中的兩個頻移峰,由(6)式和(7)式計算得轉盤上一點的切向速度為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°.作為對比,測量轉盤旋轉頻率為17.36 Hz,檢定旋轉半徑r=0.084 m,計算速度為9.1577 m/s,測量結果與實際運動速度吻合較好,測量誤差在0.43%.若采用經典的雙光束激光多普勒測速系統,由于只能測量雙光束平分線垂直方向上的速度分量,測量誤差達到8.9%.因此強本振型激光多普勒測速減小了由于系統位置偏轉帶來的測量誤差.

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

圖4 速度與轉盤旋轉頻率間的關系Fig.4.Relationship between speed and turntable rotation frequency.

為了驗證激光多普勒系統測量水流速度的準確性,在中國水利水電科學研究院,利用超聲波多普勒流速儀對0.01—0.2 m/s 的低速段流速進行比對測試.超聲波多普勒流速儀(ADV)的流速測量范圍為0—3 m/s,測量精度為 ± 0.5%,采樣頻率為100 Hz.測試時,超聲波多普勒流速儀垂直固定在水槽上方的測試架上,探頭水平安裝.激光多普勒深海熱液流速測量系統(LDV)安裝在水槽一側,系統發射的兩束激光通過水槽有機玻璃側壁射入水中,兩束激光焦點匯聚于水槽中心,距超聲波多普勒流速儀測點上游1 cm 處,設備的安裝測試圖如圖5(a)所示.分別設定12 個速度節點,流速穩定后,同時采樣測量,每次采樣時長3 min,測試結果如圖5(b)所示,激光多普勒深海熱液流速測量系統與超聲波多普勒流速儀測量流速值最大相對測量誤差為—9.43%.誤差產生的原因為水槽中水流的穩定性具有相對性,并且ADV 所測流速為測量體積(L10 mm ×Φ15 mm)內的平均速度,而LDV 為點式測量,空間分辨率為幾十微米量級.

圖5 激光多普勒深海熱液流速測量系統與超聲波流速儀對比測試 (a)低流速對比設備安裝圖;(b)低流速對比測試結果及誤差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1—10 m/s 的高速段流速進行比對測試,系統的特殊裝置保證噴口流速均勻分布,測試時儀器安裝于噴咀上方,系統發出兩束激光交叉于水中,如圖6(a)所示.噴咀標準流速系統分別設定14 個速度節點,激光多普勒流速測量系統測量噴口處的流速.目前此流速標定裝置最高流量為302 L/s,折合為9.7 m/s,噴咀標準流速系統設定的速度值與激光多普勒流速系統所測數據進行比較,試驗結果表明系統在高速段最大測量誤差為1.65%,如圖6(b)所示.此流速段平均相對測量誤差較小,噴咀標準流速系統噴口處的流速穩定,誤差產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量系統與標準噴咀流速系統對比測試 (a)高速對比設備安裝圖;(b)高流速對比測試結果及誤差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.

基于以上試驗結果,在海南陵水對激光多普勒深海熱液流速測量系統進行淺海實驗,吊車下放系統到達水下50 m 處,系統測量此過程中的下降速度,速度數據獲取正常.將系統懸掛在船尾,對系統隨船的拖拽速度進行測量,并與聲學多普勒測速系統所測速度值進行對比,所測拖拽速度隨時間變化關系曲線如圖7 所示,結果表明兩者測試的拖拽速度相對誤差為8.4%.

圖7 淺海試驗中,LDV 與ADV 所測拖拽速度對比圖Fig.7.Comparison of towing speed measured by LDV and ADV in shallow sea test.

4 結論

針對深海熱液流速原位測量的需求,搭建了一套激光多普勒流速測量原理樣機并進行了耐壓試驗及流速對比試驗.該原理樣機長500 mm,直徑205 mm,通過水密線與外界進行供電與通訊,考慮海水對藍綠光低損耗,內部采用窄線寬綠光激光器,波長為532 nm,激光器發出的光束經分束棱鏡分成等強度的雙光束并聚焦待測水流,水流中粒子的后向散射光經光電探測器采集后處理得到流速信息.

利用該試驗樣機在青島深海基地進行了耐壓試驗,在中國水利水電科學研究院進行了速度對比試驗,在主要流速段的測量誤差均小于5%.在海南陵水進行了淺海試驗,吊車將系統下放到水下50 m 處,測試了系統的下降速度,信號獲取良好.將激光多普勒深海熱液流速測量系統和超聲波多普勒流速計共同懸掛在船尾,使其位于水下2 m處,測試隨船的拖拽速度,試驗結果表明兩者測試的拖拽速度相對誤差為8.4%.試驗結果證明了激光多普勒流速測量系統進行深海原位熱液流速測量的可行性.