基于受激布里淵散射的水體特征參數(shù)測(cè)量及相關(guān)基礎(chǔ)研究.pdf

1、受激布里淵散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)作為非線性光學(xué)中的一個(gè)重要研究方向,有很長(zhǎng)的研究歷史,已被廣泛應(yīng)用于相位共軛、脈寬壓縮、放大、慢光以及布里淵激光雷達(dá)海洋遙感探測(cè)中。然而,有關(guān)受激布里淵散射的一些基本特性仍然缺少相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究,比如溫度依賴性。本論文主要圍繞介質(zhì)溫度對(duì)受激布里淵散射特性的影響做了相關(guān)的研究,包括脈寬、線寬、閾值及增益系數(shù)等;并利用受激布里淵散射脈寬及線寬的溫度依賴特性

2、,實(shí)驗(yàn)測(cè)量水的體粘滯系數(shù)及水中的聲速、溫躍層;以及分析環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度、大氣壓強(qiáng))對(duì)激光在水中傳輸時(shí)衰減系數(shù)的影響。
　　布里淵散射的激光雷達(dá)系統(tǒng)目前已有幾套比較成熟的系統(tǒng)裝置,如:基于掃描法布里-珀羅干涉儀的布里淵激光雷達(dá)系統(tǒng),基于邊緣探測(cè)技術(shù)的探測(cè)系統(tǒng)等。這幾套布里淵激光雷達(dá)系統(tǒng)有其自身的優(yōu)點(diǎn),但由于它們都是建立在自發(fā)布里淵散射的基礎(chǔ)上,所以存在著一些不足之處,如散射信號(hào)弱并且有較強(qiáng)的信號(hào)串?dāng)_,降低了目標(biāo)探測(cè)的分辨率。而受

3、激布里淵散射具有很好的位相共軛特性,散射信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自發(fā)布里淵散射信號(hào)強(qiáng)度,所以基于受激布里淵散射的激光雷達(dá)系統(tǒng)能大幅度提高雷達(dá)的探測(cè)性能。其中,利用柱透鏡和法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具及ICCD為主要探測(cè)器件的受激布里淵散射激光雷達(dá)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了散射光譜由環(huán)狀譜到點(diǎn)狀譜的變化,使得干涉條紋中每一級(jí)圓環(huán)上的能量集中到兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的點(diǎn)上,在相同回波信號(hào)強(qiáng)度下,大大提高了接收信號(hào)的強(qiáng)度和信噪比,從而提高了受激布里淵激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)性能。
　　脈

4、寬、線寬、閾值及增益系數(shù)是布里淵散射的幾個(gè)重要參數(shù),目前的研究主要集中在室溫條件下,而對(duì)于變溫條件下的溫度依賴特性,則缺少相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。本論文主要從理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果兩方面來(lái)介紹介質(zhì)溫度變化對(duì)受激布里淵散射的脈寬、線寬、閾值、增益系數(shù)等基本特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,受激布里淵散射脈寬隨著溫度的降低而變窄,溫度越低脈寬壓縮效應(yīng)越明顯,而受激布里淵散射線寬則隨著溫度的降低而變寬。受激布里淵散射閾值及增益系數(shù)也同樣受介質(zhì)溫度變化的影響,隨著

5、溫度的升高,閾值呈現(xiàn)指數(shù)下降趨勢(shì),而增益系數(shù)則呈現(xiàn)指數(shù)上升趨勢(shì)。
　　受激布里淵散射激光雷達(dá)研究的最終目的是用來(lái)進(jìn)行實(shí)際的遙感探測(cè)。本論文在理論分析的基礎(chǔ)上,介紹了基于受激布里淵散射的水中特征參數(shù)測(cè)量,包括聲速、粘滯系數(shù)以及溫躍層等。在對(duì)聲速的測(cè)量研究中,給出了純水及不同鹽度海水中聲速的理論計(jì)算值,在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上,實(shí)驗(yàn)測(cè)量了純水及35‰鹽度海水中的聲速,實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論計(jì)算值比較吻合。針對(duì)受激布里淵散射脈寬及線寬的溫度特性,并

6、根據(jù)線寬與脈寬成傅里葉變換的關(guān)系,提出了通過(guò)測(cè)量脈寬來(lái)計(jì)算線寬及測(cè)量水體粘滯系數(shù)的新方法。同時(shí),詳細(xì)介紹了利用受激布里淵散射測(cè)量水中溫躍層的基本方法,并分析了溫躍層的基本分布規(guī)律及特點(diǎn),在實(shí)驗(yàn)測(cè)量的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)熱傳導(dǎo)方程在特殊條件下的模擬分析,總結(jié)得出了溫躍層分布的時(shí)間特性。
　　為了進(jìn)一步提高受激布里淵散射激光雷達(dá)的探測(cè)性能,本論文還研究了不同大氣環(huán)境條件下532nm激光在水中的衰減系數(shù)。在同一地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)間跨度超過(guò)一年,實(shí)