海水密度是海洋观测中最重要的参数之一,为海水循环、气候变化、生物化学以及海洋生态学等领域提供重要物理参数。海水密度主要通过使用电导率-温度-深度仪(Conductivity,Temperature and Depth,CTD)来测量海水温度、盐度和深度参数,然后通过计算得到海水密度,因此海水密度的精确计算依赖电导率、温度和压力的高精度和同步测量。但由于CTD的温度、盐度测量不同步问题,导致在计算密度时,会出现密度尖峰,使得计算值和测量值之间存在偏差。如果海水中含有大量悬浮无机物导电颗粒,基于电导率测量方法会使得电导率和盐度测量结果出现异常,进而导致密度计算异常。此外,电导率方法无法检测硅酸盐等非电解质对海水盐度的贡献,使得计算所得的海水密度比实际密度偏小。与基于电导率法测量密度的原理完全不同,本文基于光学折射法直接测量海水密度。通过测量海水光学折射率,结合温度和压力的校准,及折射率和密度之间的关系,可得到相应的海水密度。针对以上研究目标,本文主要研究内容为:基于不同密度海水折射率不同的原理,激光以固定角度入射到不同密度海水,出射光线的偏移角度也将不同。光束的横向位移随海水密度变化而变化,该位移可由位置传感器(PSD)检测,进而得到不同密度海水的折射率,结合温度、压力参数,根据“PSD位置-海水密度”标定曲线,确定海水密度。此外,本文还针对系统中影响因素,如激光入射角、入射点位置、接收距离、外部环境影响等进行了理论仿真,并对入射角、接收距离、入射点位置这些关键影响因素进行了实验测量。本文创新点为:在折光法海水折射率测量系统中,提出了加“前空气膜”和“后空气膜”结构,可大幅降低入射角变化对测量分辨率的影响,且能提高对海水折射率的测量精度。围绕以上创新点,本论文针对有空气隙、没有空气隙(目前世界上最好V型槽密度计所采用的方法)进行了比较。优化后的有空气隙V型槽海水密度测量仪,仿真结果可比目前商业化V型槽方案有更高分辨率,更低入射角敏感性。理论上,“前空气膜”结构可实现降低入射角敏感度80%,“后空气膜”结构可将测量分辨率提升40%。实验中,采用PSD分辨率为3μn,获得海水折射率分辨率3.8x10-6RIU,海水盐度分辨率0.02PSU,海水密度分辨率0.015kg/m3,且线性度较好。虽然目前本文的结果尚未超过国际最好的V型槽密度计,原因是本文PSD分辨率与之差一个数量级,若采用相同精度的PSD,将会比它有更好的结果。该方案的优点:可对海水密度进行直接测量,无需电导率、温度、压力换算;测量中可有效避免海水中悬浮导电颗粒对海水密度测量带来的干扰和误差,可测量硅酸盐等非导电盐对密度的影响,此外,通过海水折射率与不同参量进行曲线标定,能实现多参数扩展测量(如温度、盐度等)。随着该方法成熟、稳定和广泛应用,有望克服目前电学测量方法的盲点,将对国际盐标和海洋观测产生重大影响。