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布里渊散射激光雷达的物理基础及其应用——北京师范大学刘大禾教授课题组成果展示
2013-01-22
一、立项背景
目前的海洋监测，多采用布放各类浮标的方法，即在欲监测海域的不同位置及不同深度处布放大量浮标。然后在数月后回收这些浮标，再进行相关的数据处理和分析。这样得到的测量结果不是实时的，而是几个月之前的。受多种因素影响，相当数量的浮标会丢失，这使得采集的测量数据并不完整，而且，浮标探测是接触式的，在很多恶劣环境之下无法实现探测。从成本角度来看，这样大量的布放浮标成本很高。
激光雷达是一种新型的海洋监测工具，可以对水面和水下进行有效的探测。目前的激光雷达均采用幅度探测方法，即通过探测回波信号幅度的变化来获得有关信息。这种幅度探测方法通常只能探测一个海洋参数，因而限制了激光雷达的应用范围。而在探测目标方面则显得能力不足。特别是在隐身目标的探测方面，则完全失去了探测能力。因此，提出一种新的激光雷达原理，发展相应的新技术，就成为一个非常重要的、有意义的探索。“布里渊散射激光雷达的物理基础及其应用”项目提出利用布里渊散射进行海洋监测探测水下目标就是这种探索中的一个。
二、研究内容
“布里渊散射激光雷达的物理基础及其应用”主要研究一种新型激光雷达——布里渊散射激光雷达的物理基础、特性及其应用，主要研究内容包括基本原理的提出、理论分析以及实验和技术方法的研究。
1．基本原理方面：
（1）研究了水中布里渊散射光谱特性与海洋参数的定量关系。
（2）提出了用布里渊散射实时监测水的粘滞系数的方法。
（3）提出了实时探测水下隐身目标的概念和方法。
（4）提出了测量强激光在水中衰减系数的新方法，进而研究了强激光在水中的衰减规律。
（5）利用受激布里渊散射的独特性质，提高了课题组提出的原有方法的性能，并提出了新的应用——实时监测水的浑浊度。
2．理论分析方面：
（1）结合理论公式和经验公式推导出水中声速与布里渊散射线宽及温度和盐度的关系。
（2）推导出布里渊散射线宽与水的体粘滞系数的关系。
（3）通过考虑布里渊散射线宽的影响，给出了一种布里渊散射激光雷达实施方案——边缘探测方法的定标曲线。
（4）推导出受激布里渊散射光强与水的衰减系数的关系，给出了用受激布里渊散射方法监测水的浑浊度的定标曲线。
3．实验和技术方法研究方面：
（1）首次将边缘探测技术应用于测量水中的布里渊散射。
（2）发现了边缘探测方法中归一化强度随布里渊散射线宽变化的实验规律，为从理论上给出定标曲线打下了坚实的基础。
（3）发现了光在水中衰减系数变化的新的实验规律。
（4）提出了精确测量强激光在水中衰减系数的新实验方法。
（5）设计并研制了两种海洋监测激光雷达系统，即基于边缘探测的激光雷达系统以及基于F-P标准具和ICCD的激光雷达系统。
（6）通过试验和技术论证，最终确认基于F-P标准具和ICCD的激光雷达系统更适合于实际应用。
三、主要发现点
（1）提出了用布里渊散射实现水下隐身目标（如潜艇、软体水雷等）实时探测的创新思想。这一新思想的本质是通过探测目标周围环境场的散射光谱来探测目标，而不是直接探测目标本身。一个具体的目标可以隐身，但整个环境（如海洋、大气）是无法隐身的。这是一个原理上的创新，代表性论文发表在国际著名光学杂志Applied Physics B上。
（2）在国内外首次提出了用布里渊散射方法实时监测水的体粘滞系数的方法，发现了布里渊散射线宽随温度和盐度变化的规律，给出了用布里渊散射方法测量液体体粘滞系数的理论公式，并从实验上测量了不同温度、盐度条件下水的体粘滞系数。在实时测量水中声速的工作中，得到了较以前更全面、更精确地测量结果。代表性论文发表在国际权威光学杂志Applied Optics上。
（3）在国内外首次对强激光在水中的衰减规律进行了研究。发现光在水中的衰减包括线性衰减和非线性衰减两部分，以及窄带激光和宽带激光在水中衰减的区别。从理论和实验上证明，窄带激光和宽带激光衰减系数曲线的分离点就是水中受激布里渊散射的阈值。深入研究了强激光在水中的衰减规律，为进一步研究强激光在水中的传输规律打下了坚实的基础。代表性论文发表在国际权威光学杂志Applied Optics上。
（5）将受激布里渊散射应用到激光雷达中，给出了受激布里渊散射能够大幅度提高系统信噪比和探测记录的理论和实验证明。通过设计聚焦系统，在保持受激布里渊散射优点的情况下，克服了其缺点，明显改善了激光雷达的性能。代表性论文发表在国际著名光学杂志Applied Physics B上。
（6）找到了受激布里渊散射光强与线性衰减之间的关系。进而提出了利用受激布里渊散射实时监测水的浑浊度的方法，并给出了定标曲线，以及这种方法适用温度工作范围。代表性论文发表在国际著名光学杂志Applied Physics B上。
（7）设计并研制了可实际应用的布里渊散射激光雷达系统样机，成功应用了受激布里渊散射，明显提高了激光雷达的性能，使布里渊散射激光雷达的探测深度达到了7个衰减长度，定为精度达到
（8）利用受激布里渊散射信号的可放大特性，在国内外首次研制出具有信号放大功能的双光束激光雷达，使被测信号在回传的过程中被放大。该技术进一步提高了激光雷达的性能，将探测深度提高到接近10个衰减长度。代表性论文发表在国际权威光学杂志Applied Optics上。
（9）在国内外首次利用布里渊散射技术对海洋温跃层的特性及形成过程进行了研究。发现了温跃层的结构特点，并发现温跃层具有明显的季节特性。提出了用布里渊散射激光雷达进行温跃层探测的方法。
四、相关基础研究
上述有关布里渊散射激光雷达的的工作，特别是提高激光雷达性能的工作，涉及到多个非线性光学中的基础研究问题。为此，课题组开展了深入的研究，在研究过程中还发现了新的实验现象。课题组很好的解决了所遇到的问题。使各项提高激光雷达性能的技术都建立在坚实的基础上。这些基础研究问题包括：
（1）受激布里渊散射阈值的严格定义；
（2）受激布里渊散射阈值的精确测量；
（3）受激布里渊散射阈值及增益系数的温度依赖性；
（4）受激布里渊散射的反常脉宽压缩；
（5）受激布里渊散射的线宽压缩；
（6）受激布里渊散射对受激拉曼散射的增强作用。
上述基础研究的成果均发表在Applied Physics Letters, Physical Review A, Optics Letters等国际权威杂志上。
五、评价及引用情况
以上研究成果分别与于2007年12月20日和2010年5月13日两次通过了国家教育部成果鉴定。鉴定结论均为：“达到了国际领先水平，具有巨大的发展潜力。”
课题组提出的用布里渊散射方法监测多项海洋参数及探测隐身目标的原理和技术受到了国家有关主管部门的高度重视。国家863计划在“九五”、“十五”和“十一五”期间给予了连续支持，还获得了8项国家自然科学基金项目、以及国防基础研究重大项目、国防重点课题的支持。有关上述各项成果，课题组共发表学术论文30余篇，论文共被他人引用超过700次。
