环境参数对激光水中传输衰减特性的影响

It was found in the experiment of lidar detecting objects in water that the attenuation charactristics of laser beam is affected by environmental parameters, such as temperature and pressure. The transimission of laser changed as well，what influenced the performance of lidar directly. The absorption caused by the water itself and the energy loss caused by stimulated scattering in it was always the focus of study . A detailed investigation about the affection of environmental parameters on coefficient of attenuation will be done in this project. Firstly,We will make devices that the environmental parameters required can change in it. And then many a coefficients of attenuation will be measured with various temperatures and pressures.The laser in the experiment has two line width (30GHZ and 90MHZ).Ploting graphs of coefficient of attenuation and compareing it ,we would find the affection of environmental parameters on the coefficient of attenuation,also on the threshold and line width of stimulated brillouin scattering. Finding the generality by analysis and explaining it on physics. And finally a new formula will be given ,including the paramters of temperature and pressure. Also ,we are going to measure the coefficient of attenuation with seasonal variation in a year. The project can value the Dependence of lidar on the environmental parameters and give a guidance for further development.

在利用激光雷达系统探测水下物体的实验中，我们发现环境参数温度、压强的变化，对激光在水中传输衰减特性产生一定的影响。激光传输规律随的变化，直接决定着激光雷达系统的稳定性。前期对水中激光传输衰减特性的研究多着重于由水质本身吸收引起的衰减和因水中受激散射造成的能量损耗。本项目拟对环境参数对激光水中传输特性进行实验研究，通过数据和曲线分析，总结规律。首先制作模拟环境变化装置，使得温度和压强能够在一定范围内变化。测量激光在两种线宽（30GHZ和90MHZ）传输时，不同环境参数下的衰减系数，绘制衰减系数曲线。对衰减系数曲线进行比较，分析环境温度和压强对衰减系数、受激布里渊散射阈值和线宽的影响。总结规律，通过理论解释，完善衰减系数公式。项目还将对激光水中传输衰减系数进行全年侯监测，进一步分析环境因素对衰减特性带来的影响。该课题的研究成果可以用来评估激光雷达对环境的依赖性，指导激光雷达的进一步发展。

布里渊激光雷达系统使用的高能量、窄线宽激光在水中传输时会激发受激布里渊散射（SBS）等非线性光学过程，导致了激光在水中传输时的强烈衰减。因此，传统的描述光在水中衰减特性的方法不再适用。在实验中我们发现高能激光在水中的衰减系数并非常数，而是与入射激光的能量和线宽密切相关。本文选择了10种不同水质，让激光分别工作在宽带和窄带两种模式下，对其水中不同的衰减系数进行了测量并对规律作了详细的分析。.实验中发现，水的衰减系数包括线性衰减系数和非线性衰减系数两部分。根据高能激光在水中传输的衰减特性，水中SBS阈值和增益强烈依赖于水的线性衰减系数。利用水的线性和非线性衰减系数之间的关系，本文提出了一种通过测量激光在水中的SBS强度来实时测量开放水域中水的线性衰减系数的方法。该方法在海洋遥感监测中具有实际应用价值。.当激光运行在宽带模式下，以高功率在水中传播时，随着水质变差，衰减系数不再保持为一个常数，而是在激光能量达到一种值后会激发数种非线性效应。经分析，米散射、受激拉曼散射和受激布里渊散射共同竞争泵浦激光的能量，竞争的结果与入射激光的光谱性质、介质的参数都有关系。我们在实验中发现，随着入射激光能量的增强，SBS虽然仍占据主导地位，但背向SRS（BSRS）却会以指数规律上升；SBS和BSRS表现出一种共生关系。.在研究受激布里渊散射激光雷达海洋遥感探测实验过程中我们发现：雷达探测距离(深度)受大气环境影响非常明显。对于同样的水质，激光雷达在晴朗冬天的探测距离是乌云密布的夏天的探测距离的三倍。环境条件的改变(温度、湿度、大气压强)影响了大气在水中的溶解度是诱使气泡产生的主要原因。也可以说是直接影响了光在水中的衰减特性。本项目从实验上分析了环境参数 (湿度、温度、大气压强)变化对激光在水中传输时衰减系数的影响。在同一地点实验测量用时两年对同种水质的水衰减系数进行测量。实验结果显示大气环境对激光的衰减系数有着重要的影响。.频移和线宽是布里渊散射光谱中的两个重要参数。众所周知，受激布里渊散射相比于自发布里渊散射有更高的信噪比，更适合于实际应用。本文提出了一种测量受激布里渊散射线宽的新方法，得到受激布里渊散射线宽随温度变化的规律，并发现受激布里渊散射的线宽相对于自发布里渊散射的线宽具有压缩效应。本文在实验上验证了温度对受激布里渊能量的影响，与声子寿命随温度变化的理论相吻合。