水深及水体特征参数对受激布里渊散射激光雷达探测性能影响的研究

The depth and feature parameters of water are the main objects in marine survey, they can be used to analyze the temporal and spatial distribution of the basics marine parameters. Stimulated Brillouin scattering (SBS) has broad application prospects in the measurements of marine parameters. However, there is no a perfect physical model in theory to guide the performance improvement of SBS lidar, and meanwhile the experimental results also cannot meet the actual requirements on the detection depth. At present, the existing models are only analyzing the influences of temperature and salinity of seawater on the basic laws of Brillouin scattering in isolation, while ignoring the influence of water depth on the changes of feature parameters of water, and also the corresponding field test is seldom. In this project, the SBS process of seawater with different depths and different feature parameters will be analyzed in terms of the change regularities of feature parameters of water with the water depth. The influences of depth and feature parameters of water on the threshold, frequency shift, linewidth, gain spectrum of SBS, and the attenuation mechanism of high energy laser in water will be the focuses of this project. On the basis of the theoretical and experimental studies, the theory models for measuring the marine parameters will be developed based on both of the two parameters of frequency shift and linewidth. The influences of depth and feature parameters of water on the detecting performance of SBS lidar will be analyzed, and the technological approaches will be explored for improving the detecting depth of lidar. The research results will provide some new ideals and reliable technical solutions for investigating the thermocline and pycnocline of ocean.

水深及水体特征参数是海洋探测的主要对象，可以用来分析海洋各参数的时空分布和变化规律，SBS则在海洋参数测量方面有广阔的应用前景。而目前在理论上还没有一个完善的物理模型来指导SBS雷达性能的改进，实验上也还没达到实际探测深度的要求。已有模型都是围绕温度、盐度参数来孤立地分析和解释布里渊散射的一些基本规律，而忽略了水深所带来的水体特征参数变化对SBS的影响，也缺少实验验证。本项目将依据水体特征参数随水深的变化规律，重点研究水深及对应的水体特征参数对SBS阈值、频移、线宽及增益谱等的影响，以及高能脉冲激光在不同水深及水体特征参数下的衰减规律。在理论及实验研究基础上，建立由频移和线宽共同确定的可用于实际海洋参数测量的理论模型，分析水深及对应的水体特征参数对SBS激光雷达探测性能的影响，探索提高雷达探测深度的技术途径。研究成果将为研究温跃层、密跃层等重要海洋物理现象提供新的思路和可靠的技术解决方案。

近几十年来，受激布里渊散射广泛应用在光纤通信、激光器、位相共轭镜以及典型激光雷达海洋遥感探测。对于受激布里渊散射激光雷达海洋遥感探测，海洋环境参数对受激布里渊散射参数特性的研究是非常必要的。在使用受激布里渊散射激光雷达进行海洋遥感探测时，随着探测深度的增加，水体参数（温度、压强和衰减系数等）的变化将会影响雷达系统的探测性能。为了研究水体参数对受激布里渊散射激光雷达的影响，本项目开展了水深及水体特征参数对受激布里渊散射阈值及增益影响的研究。研究结果对改善SBS雷达海洋环境遥感探测具有重要意义。. 本项目将海水热力学方程与麦克斯韦方程组相结合，提出一种预测海水中受激布里渊散射阈值和增益系数的理论模型，在海洋环境数据库中，选取中国东(N27.5°，E127.5°)位置的温度和盐度作为预测受激布里渊散射阈值和增益系数的样本数据，并对0-1000米海洋深度范围内的受激布里渊散射阈值及增益系数进行理论分析与数值仿真。受激布里渊散射能量转化效率是布里渊散射激光雷达重要的参数，本项目采用理论与实验相结合的方法，研究了水的压强与温度对受激布里渊散射能量转化效率的影响。. 本项目从理论和实验两方面研究了阈值与水体参数之间的依赖关系。理论上，基于分布式噪声模型分析了水的温度、压强及衰减系数对SBS的影响。为定量分析水体参数对SBS阈值的影响，本文对比分析了耦合波方程法、平均衰减系数法、能量反射率法及光限幅法确定SBS阈值的准确性。将SBS增益随温度及压强的变化规律与耦合波方程法和平均衰减系数法相结合，理论上得到了SBS阈值随水体参数的变化规律。为了减小实验测量阈值时的误差，根据实际情况选择平均衰减系数法实验测量了不同水体参数下SBS的阈值，并依据阈值与增益的关系得出温度和压强对SBS增益的影响。将实验结果与理论仿真进行比较，两者具有很好的一致性。