基于受激布里淵散射的水體特征參數(shù)測量及相關基礎研究.pdf

1、受激布里淵散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)作為非線性光學中的一個重要研究方向,有很長的研究歷史,已被廣泛應用于相位共軛、脈寬壓縮、放大、慢光以及布里淵激光雷達海洋遙感探測中。然而,有關受激布里淵散射的一些基本特性仍然缺少相應的實驗研究,比如溫度依賴性。本論文主要圍繞介質(zhì)溫度對受激布里淵散射特性的影響做了相關的研究,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、,實驗測量水的體粘滯系數(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)對激光在水中傳輸時衰減系數(shù)的影響。
　　布里淵散射的激光雷達系統(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系統(tǒng),基于邊緣探測技術的探測系統(tǒng)等。這幾套布里淵激光雷達系統(tǒng)有其自身的優(yōu)點,但由于它們都是建立在自發(fā)布里淵散射的基礎上,所以存在著一些不足之處,如散射信號弱并且有較強的信號串擾,降低了目標探測的分辨率。而受

3、激布里淵散射具有很好的位相共軛特性,散射信號強度遠遠大于自發(fā)布里淵散射信號強度,所以基于受激布里淵散射的激光雷達系統(tǒng)能大幅度提高雷達的探測性能。其中,利用柱透鏡和法布里-珀羅標準具及ICCD為主要探測器件的受激布里淵散射激光雷達系統(tǒng),實現(xiàn)了散射光譜由環(huán)狀譜到點狀譜的變化,使得干涉條紋中每一級圓環(huán)上的能量集中到兩個對稱的點上,在相同回波信號強度下,大大提高了接收信號的強度和信噪比,從而提高了受激布里淵激光雷達系統(tǒng)的探測性能。
　　脈

4、寬、線寬、閾值及增益系數(shù)是布里淵散射的幾個重要參數(shù),目前的研究主要集中在室溫條件下,而對于變溫條件下的溫度依賴特性,則缺少相應的實驗研究。本論文主要從理論分析及實驗結果兩方面來介紹介質(zhì)溫度變化對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。實驗結果表明,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,而增益系數(shù)則呈現(xiàn)指數(shù)上升趨勢。
　　受激布里淵散射激光雷達研究的最終目的是用來進行實際的遙感探測。本論文在理論分析的基礎上,介紹了基于受激布里淵散射的水中特征參數(shù)測量,包括聲速、粘滯系數(shù)以及溫躍層等。在對聲速的測量研究中,給出了純水及不同鹽度海水中聲速的理論計算值,在理論計算的基礎上,實驗測量了純水及35‰鹽度海水中的聲速,實驗測量值與理論計算值比較吻合。針對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系,提出了通過測量脈寬來計算線寬及測量水體粘滯系數(shù)的新方法。同時,詳細介紹了利用受激布里淵散射測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,在實驗測量的基礎上,通過對熱傳導方程在特殊條件下的模擬分析,總結得出了溫躍層分布的時間特性。
　　為了進一步提高受激布里淵散射激光雷達的探測性能,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)。在同一地點實驗測量時間跨度超過一年,實