An optical Solution for Simultaneous in-situ Sea Water Salinity and Turbidity Measurements - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2012

An optical Solution for Simultaneous in-situ Sea Water Salinity and Turbidity Measurements

Une solution optique pour la mesure simultanée in-siut de la salinité et la turbidité de l'eau de mer

Résumé

Salinity and turbidity are two important seawater properties for the physical oceanography. The study of physical oceanography requires a compact high-resolution in-situ salino-turbidi-meter. The main objective of this work is to propose, design and implement an optical solution to simultaneously measure the seawater salinity and turbidity. Our first study is carried out to design a high-resolution refractometer based on a laser beam deviation measurement by a Position Sensitive Device (PSD). The refractive index measurements obtained by the voltage value delivered by PSD have been evaluated to quantify the performances of the sensor. According to the obtained results, it is clear that this PSD-based refractometer is attractive for innovative applications in metrology. However, PSD lacks the capability to retrieve the power distribution information of laser beam, which is related to the turbidity measurements. On the contrary, Charge-Coupled Device (CCD) gives much more information of laser beam than PSD. In the second part of the thesis, a performance comparison between PSD and CCD combined with a centroid algorithm are discussed with special attention paid to the CCD-based refractometer. According to the operating principle of CCD-based system, five factors of CCD-based system: image window size, number of processed images, threshold, binning and saturation are evaluated to optimize the CCD-based refractometer. By applying the optimized parameters, the performance of CCD-based refractometer is better than PSD-based refractometer in measuring the refractive index. Furthermore, by applying different post-processing algorithms, CCD-based system possesses the capability of measuring the power distribution sensitive quantities. To show this advantage of CCD-based system, the attenuation measurement method is used to measure turbidity without modifying the refractometer configuration. The turbidity measurement and salinity measurements influence each other in a refractometer. To overcome these influences, a CCD combined with a new location algorithm is used to measure both the refractive index and the attenuation. Several simulations and experiments are carried out to evaluate this new method. According to the results, the way to improve the resolution is discussed as well. Comparing to the nephelometer specified by the NTU standard, our method has been proved as a valid method to measure turbidity. By studying the performances of CCD-based refracto-turbidi-meter, 3 new prototypes are proposed to improve the salinity and turbidity measurement performance at the end of this thesis.
La salinité et la turbidité sont deux propriétés importantes pour comprendre le comportement physique des océans. L'étude de l'océanographie physique a besoin d'un salino-turbidi-mètre in-situ, haute résolution. L'objectif de ce travail de recherche est de proposer, concevoir et réaliser de nouvelles solutions optiques dédiées aux mesures simultanées de salinité et de turbidité de l'eau de mer. Une première étude est menée, afin de démontrer la conception d'un réfractomètre à haute résolution basé sur une mesure de la déviation d'un faisceau laser par un dispositif de détection de position (PSD). Cependant, le PSD n'a pas la capacité de récupérer les informations de la distribution de puissance du faisceau laser, qui est liée à la mesure de la turbidité. Par contre, le dispositif à transfert de charge (CCD) donne beaucoup plus d'informations sur la distribution de la puissance du faisceau laser. Dans la deuxième partie de la thèse, une comparaison des performances entre le système avec PSD et le système avec CCD combiné à un algorithme de calcul du centre de gravité est discuté avec une attention particulière pour le réfractomètre avec CCD. Selon le principe du système basé sur CCD, cinq paramètres du système avec CCD: la taille de la fenêtre d'image, le nombre d'images traitées, le seuil, le "binning" et la saturation sont évalués afin d'optimiser le réfractomètre équipé d'un CCD. En appliquant les paramètres optimisés, les performances du système avec CCD sont meilleures que les performances du système avec PSD pour mesurer l'indice de réfraction. Par ailleurs, en appliquant les différents algorithmes de post-traitements, le système avec CCD possède la capacité de mesurer les propriétés, qui sont sensibles à la distribution de puissance. Pour montrer cet avantage du système avec CCD, une méthode basée sur la mesure d'atténuation de la lumière est utilisée pour mesurer la turbidité sans modifier la configuration du réfractomètre. Cependant, les mesures de salinité et turbidité s'influencent mutuellement dans un réfractomètre. Pour surmonter ces influences, un CCD combiné à un nouvel algorithme est utilisé pour mesurer l'indice de réfraction et l'atténuation. Plusieurs simulations et expérimentations sont menées pour évaluer cette nouvelle méthode. Selon les résultats, la façon d'améliorer la résolution est aussi discutée. La validation de notre méthode est montrée par la comparaison de nos résultats avec ceux du néphélomètre spécifié par le standard NTU. En étudiant les performances du réfracto-turbidi-mètre basé sur CCD, 3 nouveaux prototypes sont proposés pour améliorer les performances des mesures de salinité et de turbidité à la fin de cette thèse.
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tel-00719584 , version 1 (20-07-2012)

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  • HAL Id : tel-00719584 , version 1

Citer

Bo Hou. An optical Solution for Simultaneous in-situ Sea Water Salinity and Turbidity Measurements. Optics [physics.optics]. Télécom Bretagne, Université de Bretagne-Sud, 2012. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00719584⟩
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