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海水的盐度、密度是海水重要的环境参数，两者间有着密切的联系。精确测量海水的盐度、密度对于水下安全航行、水文气象预报、海洋生态环境的研究、海底资源勘探等领域均有着重要意义。现阶段海洋调查中主要依赖CTD(Conductivity-Temperature-Depth)测量海水的电导率，温度和压力值来计算实用盐度，并根据海水状态方程计算海水的密度。但是海水的电导率仅与海水中电解化合物的含量相关，而忽略了溶于海水中的非离子物质。海水的光学折射率与溶解在海水中的总物质相关，能够更好地代表海水的盐度和密度。因此研究海水的光学折射率测量是实现对海水绝对盐度、密度原位测量的有效方法。
在众多的液体折射率测量方法中，Ⅴ型槽液体折射率计以其结构简单，成本低，信号处理简单，易于集成，耐腐蚀等优点得到了广泛认可。但是测量分辨率受限于Ⅴ型槽到PSD(Position Sensitivity Device)的距离以及PSD的尺寸和分辨率。其分辨率仍然比由世界最高分辨率的CTD换算得到的密度值低一个数量级。因此有必要研究如何提高液体折射率计的分辨率。
针对以上问题，本文主要研究内容为:(1)分析液体折射率计的测量原理并分析提高灵敏度的可能技术路径。(2)通过MATLAB将传感系统的光路建模，迭代计算得到高分辨率与光出射自由曲面的关系，使光束在20cm处的探测器件的投影呈线性变化。本文详细分析了新型自由曲面结构的灵敏度，以及对入射角的依赖性等相关表现。(3)对分立式增益透镜折射率测量系统的灵敏度进行了理论仿真和实验验证，证实了在Ⅴ型槽后添加增益透镜的方法可以增大测量系统的灵敏度，并分析了增益透镜的曲率、非球系数、位置等因素对测量结果的影响。
本文的创新点为:(1)面对Ⅴ型槽结构的液体折射率计的分辨率局限，本文创新提出了集成式的增益自由曲面的结构设计。自由曲面结构在不增加尺寸的前提下，大幅提高了折射型液体折射率计的灵敏度，并且使光束在接收面上的位置随液体折射率呈现线性变化。(2)提出了分立式的增益模块结构，在Ⅴ型槽折射型液体折射率计的基础上通过外置非球透镜以满足不同测量环境需求的分辨率和量程。(3)使用卡尔曼滤波对一维位置信息进行了数字滤波处理，得到了较为稳定的实验结果。
本文的分析结果显示:集成式自由曲面的Ⅴ型槽出射端面相比于传统的出射平面结构实现了4.8倍的折射率灵敏度增益，达到了5.527×107μm/RIU的折射率灵敏度。对于分立式的增益透镜，实验验证了在65°入射且工作距离为20cm的情况下添加焦距为-25mm的增益透镜可以使Ⅴ型槽液体折射率计的灵敏度由8.97×105μm/RIU增益为2.60×106μm/RIU。目前被最广泛使用的NKE公司生产的NOSS折光计在20cm的工作距离下灵敏度约为7.5×105μm/RIU，所以增益模块的使用极大地提高了折射型液体折射率计的灵敏度以及极限分辨率。
在众多的液体折射率测量方法中，Ⅴ型槽液体折射率计以其结构简单，成本低，信号处理简单，易于集成，耐腐蚀等优点得到了广泛认可。但是测量分辨率受限于Ⅴ型槽到PSD(Position Sensitivity Device)的距离以及PSD的尺寸和分辨率。其分辨率仍然比由世界最高分辨率的CTD换算得到的密度值低一个数量级。因此有必要研究如何提高液体折射率计的分辨率。
针对以上问题，本文主要研究内容为:(1)分析液体折射率计的测量原理并分析提高灵敏度的可能技术路径。(2)通过MATLAB将传感系统的光路建模，迭代计算得到高分辨率与光出射自由曲面的关系，使光束在20cm处的探测器件的投影呈线性变化。本文详细分析了新型自由曲面结构的灵敏度，以及对入射角的依赖性等相关表现。(3)对分立式增益透镜折射率测量系统的灵敏度进行了理论仿真和实验验证，证实了在Ⅴ型槽后添加增益透镜的方法可以增大测量系统的灵敏度，并分析了增益透镜的曲率、非球系数、位置等因素对测量结果的影响。
本文的创新点为:(1)面对Ⅴ型槽结构的液体折射率计的分辨率局限，本文创新提出了集成式的增益自由曲面的结构设计。自由曲面结构在不增加尺寸的前提下，大幅提高了折射型液体折射率计的灵敏度，并且使光束在接收面上的位置随液体折射率呈现线性变化。(2)提出了分立式的增益模块结构，在Ⅴ型槽折射型液体折射率计的基础上通过外置非球透镜以满足不同测量环境需求的分辨率和量程。(3)使用卡尔曼滤波对一维位置信息进行了数字滤波处理，得到了较为稳定的实验结果。
本文的分析结果显示:集成式自由曲面的Ⅴ型槽出射端面相比于传统的出射平面结构实现了4.8倍的折射率灵敏度增益，达到了5.527×107μm/RIU的折射率灵敏度。对于分立式的增益透镜，实验验证了在65°入射且工作距离为20cm的情况下添加焦距为-25mm的增益透镜可以使Ⅴ型槽液体折射率计的灵敏度由8.97×105μm/RIU增益为2.60×106μm/RIU。目前被最广泛使用的NKE公司生产的NOSS折光计在20cm的工作距离下灵敏度约为7.5×105μm/RIU，所以增益模块的使用极大地提高了折射型液体折射率计的灵敏度以及极限分辨率。