【摘要】：海水溫度是海洋學(xué)中極為重要的基本物理參量,海水溫度監(jiān)測是認(rèn)識環(huán)境和利用海洋資源的基礎(chǔ),在民用和軍事領(lǐng)域都有著至關(guān)重要的意義。發(fā)展一種能夠快速大面積精確測量次表層海水溫度的實用遙感技術(shù)一直是海洋技術(shù)領(lǐng)域科研人員不斷追求的目標(biāo)。傳統(tǒng)的接觸式測量海水溫度的方法存在覆蓋面小,測量速度慢,不能同步測量等缺點;而非接觸式星載微波輻射遙感測溫技術(shù)和紅外輻射遙感測溫技術(shù)雖然可以實現(xiàn)快速大范圍測溫,但由于其在水中極高的吸收性,只能測量海水表面溫度。利用藍(lán)綠激光在海水中的衰減系數(shù)較小、可以穿透一定深度的水體這一特性,基于光散射的海水溫度遙感監(jiān)測技術(shù)越來越受到人們的重視。通過近幾十年的廣泛深入研究,基于布里淵散射和拉曼散射的海水溫度遙感技術(shù)取得了較大的進(jìn)步,但其實用化進(jìn)程中都存在尚未克服的困難。在深入分析海水溫度遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,提出了基于光散射的海水溫度遙感技術(shù)研究這一課題,力求在技術(shù)實用化及降低成本方面有所突破,為海水溫度的現(xiàn)場實時遙測技術(shù)的成熟奠定基礎(chǔ)。為了設(shè)計更為合理的基于布里淵散射的海水溫度遙感雷達(dá)系統(tǒng),首先從理論上研究了海水的自發(fā)布里淵散射特性和受激布里淵散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)特性,采用耦合波理論建立SBS數(shù)值計算模型,通過數(shù)值計算分析了聚焦深度、海水溫度對SBS脈沖寬度和能量反射率等特性的影響。然后,建立布里淵散射激光雷達(dá)方程,對其探測能力進(jìn)行了理論分析。為了解決海水布里淵散射譜的高精度實時測量問題,本文提出了一種基于雙SBS光束相干的水溫測量方法,通過接收參考水后向SBS光與待測海水后向SBS光的差頻信號測量待測海水溫度。在實驗室搭建實驗系統(tǒng),初步驗證了該方法,并進(jìn)一步進(jìn)行了仿真計算,實驗結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果相符。該方法可大幅度降低相干測量頻率,具有結(jié)構(gòu)簡單,穩(wěn)定度高,測量速度快等優(yōu)點。但總結(jié)理論與實驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于參考水SBS光與待測海水SBS光的頻率差較小,并且目前所用激光脈沖寬度較小,導(dǎo)致單脈沖只能采集到很少幾個差頻信號周期,造成頻率測量精度難以保證。所以該方法雖然減輕了對探測器和示波器帶寬的要求,卻對脈沖激光器的脈沖寬度和峰值功率提出了較高的要求。針對基于雙SBS光束相干的水溫測量方法受激光器的脈沖寬度和峰值功率限制導(dǎo)致頻率測量精度低的問題,進(jìn)一步提出了一種基于單SBS光束相干的水溫測量方法,通過接收入射激光與待測海水后向SBS光相干產(chǎn)生的差頻信號,進(jìn)行傅里葉變換得到差頻頻率,即海水SBS頻移,進(jìn)而根據(jù)SBS頻移與海水溫度之間的關(guān)系反演海水溫度。實驗測量了水溫不同時入射激光與水的后向SBS光的差頻信號,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到SBS頻移和待測水溫,在8ns窄脈沖條件下實現(xiàn)了較高精度的水溫測量。實驗結(jié)果為基于單SBS光束相干的布里淵散射頻移及海水溫度測量方法奠定了基礎(chǔ),為實際相干海水溫度遙感系統(tǒng)的設(shè)計提供了有價值的參考。該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定度高、測量速度快等優(yōu)點,有望發(fā)展成為實用化的現(xiàn)場遙感測量方法。針對拉曼散射測溫技術(shù)尚未有實時的現(xiàn)場溫度遙測系統(tǒng)可用的問題,通過理論和實驗研究了激光波長對水的拉曼光譜峰位和譜寬的影響,分析了水溫測量精度與激光波長的關(guān)系,建立拉曼散射激光雷達(dá)方程,計算了不同波長激光的水拉曼散射系數(shù),研究了激光波長對雷達(dá)系統(tǒng)探測深度的影響,為后續(xù)拉曼散射測溫雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)。針對海水溫度的實時遙測問題,設(shè)計研制了基于450nm激光的低成本實用化的拉曼散射雷達(dá)水溫遙測系統(tǒng),應(yīng)用時空累加數(shù)據(jù)算法有效增強(qiáng)了雷達(dá)系統(tǒng)的靈敏度和信噪比,開發(fā)了基于Lab VIEW的拉曼光譜實時采集、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),實現(xiàn)了實時水溫測量。為了驗證該系統(tǒng)的性能,在實驗室測量了不同溫度水的拉曼散射光譜,建立光譜特征與水溫的線性關(guān)系,并進(jìn)行了未知水溫的測量。為了提高水溫測量精度,同時克服3代像增強(qiáng)器在綠光波段量子效率低的缺點,進(jìn)一步研制了基于532nm激光的拉曼散射雷達(dá)水溫遙測系統(tǒng),提出了基于頻數(shù)分布的拉曼光譜濾波算法,有效去除了實際測量中的干擾信號,提高了系統(tǒng)的溫度測量精度和抗干擾性;改進(jìn)了基于Lab VIEW的拉曼光譜實時采集、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),實現(xiàn)了水溫的實時連續(xù)遙測,并通過大量室內(nèi)和現(xiàn)場實驗驗證了系統(tǒng)的溫度測量精度和穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明,基于532nm激光的拉曼散射雷達(dá)水溫遙測系統(tǒng)能夠快速測量水的高分辨率拉曼光譜并實時處理獲得水溫信息,水溫測量精度較高,長時間運行測量結(jié)果穩(wěn)定。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P715.7;P714.1

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本文編號：2430338