基于激光散射的海水温度遥感技术研究

发布时间：2019-02-25 16:03

【摘要】：海水温度是海洋学中极为重要的基本物理参量,海水温度监测是认识环境和利用海洋资源的基础,在民用和军事领域都有着至关重要的意义。发展一种能够快速大面积精确测量次表层海水温度的实用遥感技术一直是海洋技术领域科研人员不断追求的目标。传统的接触式测量海水温度的方法存在覆盖面小,测量速度慢,不能同步测量等缺点;而非接触式星载微波辐射遥感测温技术和红外辐射遥感测温技术虽然可以实现快速大范围测温,但由于其在水中极高的吸收性,只能测量海水表面温度。利用蓝绿激光在海水中的衰减系数较小、可以穿透一定深度的水体这一特性,基于光散射的海水温度遥感监测技术越来越受到人们的重视。通过近几十年的广泛深入研究,基于布里渊散射和拉曼散射的海水温度遥感技术取得了较大的进步,但其实用化进程中都存在尚未克服的困难。在深入分析海水温度遥感技术发展现状的基础上,提出了基于光散射的海水温度遥感技术研究这一课题,力求在技术实用化及降低成本方面有所突破,为海水温度的现场实时遥测技术的成熟奠定基础。为了设计更为合理的基于布里渊散射的海水温度遥感雷达系统,首先从理论上研究了海水的自发布里渊散射特性和受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)特性,采用耦合波理论建立SBS数值计算模型,通过数值计算分析了聚焦深度、海水温度对SBS脉冲宽度和能量反射率等特性的影响。然后,建立布里渊散射激光雷达方程,对其探测能力进行了理论分析。为了解决海水布里渊散射谱的高精度实时测量问题,本文提出了一种基于双SBS光束相干的水温测量方法,通过接收参考水后向SBS光与待测海水后向SBS光的差频信号测量待测海水温度。在实验室搭建实验系统,初步验证了该方法,并进一步进行了仿真计算,实验结果与理论分析和仿真结果相符。该方法可大幅度降低相干测量频率,具有结构简单,稳定度高,测量速度快等优点。但总结理论与实验研究结果发现,由于参考水SBS光与待测海水SBS光的频率差较小,并且目前所用激光脉冲宽度较小,导致单脉冲只能采集到很少几个差频信号周期,造成频率测量精度难以保证。所以该方法虽然减轻了对探测器和示波器带宽的要求,却对脉冲激光器的脉冲宽度和峰值功率提出了较高的要求。针对基于双SBS光束相干的水温测量方法受激光器的脉冲宽度和峰值功率限制导致频率测量精度低的问题,进一步提出了一种基于单SBS光束相干的水温测量方法,通过接收入射激光与待测海水后向SBS光相干产生的差频信号,进行傅里叶变换得到差频频率,即海水SBS频移,进而根据SBS频移与海水温度之间的关系反演海水温度。实验测量了水温不同时入射激光与水的后向SBS光的差频信号,进行数据处理得到SBS频移和待测水温,在8ns窄脉冲条件下实现了较高精度的水温测量。实验结果为基于单SBS光束相干的布里渊散射频移及海水温度测量方法奠定了基础,为实际相干海水温度遥感系统的设计提供了有价值的参考。该方法具有结构简单、稳定度高、测量速度快等优点,有望发展成为实用化的现场遥感测量方法。针对拉曼散射测温技术尚未有实时的现场温度遥测系统可用的问题,通过理论和实验研究了激光波长对水的拉曼光谱峰位和谱宽的影响,分析了水温测量精度与激光波长的关系,建立拉曼散射激光雷达方程,计算了不同波长激光的水拉曼散射系数,研究了激光波长对雷达系统探测深度的影响,为后续拉曼散射测温雷达系统的设计提供理论依据。针对海水温度的实时遥测问题,设计研制了基于450nm激光的低成本实用化的拉曼散射雷达水温遥测系统,应用时空累加数据算法有效增强了雷达系统的灵敏度和信噪比,开发了基于Lab VIEW的拉曼光谱实时采集、数据处理系统,实现了实时水温测量。为了验证该系统的性能,在实验室测量了不同温度水的拉曼散射光谱,建立光谱特征与水温的线性关系,并进行了未知水温的测量。为了提高水温测量精度,同时克服3代像增强器在绿光波段量子效率低的缺点,进一步研制了基于532nm激光的拉曼散射雷达水温遥测系统,提出了基于频数分布的拉曼光谱滤波算法,有效去除了实际测量中的干扰信号,提高了系统的温度测量精度和抗干扰性;改进了基于Lab VIEW的拉曼光谱实时采集、数据处理系统,实现了水温的实时连续遥测,并通过大量室内和现场实验验证了系统的温度测量精度和稳定性。实验结果表明,基于532nm激光的拉曼散射雷达水温遥测系统能够快速测量水的高分辨率拉曼光谱并实时处理获得水温信息,水温测量精度较高,长时间运行测量结果稳定。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P715.7;P714.1

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