基于布里渊散射的海洋温度和盐度的反演

刘 杰

基于布里渊散射的海洋温度和盐度的反演

刘 杰

(中海油能源发展采油技术服务分公司, 天津, 300452)

结合激光雷达与海水水体产生的非弹性散射效应, 建立了海水中的布里渊散射模型, 提出了反演海水温度、盐度的方法, 并通过布里渊散射推导出计算海水温度和盐度的公式。采用波长为532 nm的激光雷达, 通过仿真计算, 深入探讨海水温度、盐度与布里渊散射的相互关系, 得到了不同深度的布里渊频移量与温度、盐度图表,从而得出海水相应深度处的温度与盐度值。仿真数据与实际结果基本一致。

布里渊散射; 激光雷达; 频移; 温度; 盐度

0 引言

海水温度和盐度测量对海洋科学研究有重要价值, 也对海洋环境监测、海底测绘、军事国防有着极其重要的作用。众所周知, 海洋中激光雷达探测技术的应用已经有30多年的历史, 实践证明, 激光雷达可快速、高精度获取海洋中的重要信息。上世纪70年代中期, 美国人G. J. Hir- schberg就提出了利用激光布里渊散射测量海洋水下声速、温度和盐度参数的建议[1]。J. L. Guag- liardo等人进行了最早期的脉冲激光海洋测量的实验工作[2]。20世纪90年代, D. J. Collins等综述了利用包含布里渊散射和拉曼散射在内的光散射方法测量海水温度和盐度的思路[3]。

从已经发表的研究成果来看, 虽然有许多文章谈到激光雷达海水中的温度和盐度等探测, 但多数是基于机载激光雷达系统的海水温度和盐度的测量, 较少见到激光雷达系统直接探测海水中温度和盐度的相关报道。

本文设计了一种水中激光雷达探测系统, 提出了一种直接、高精度探测海水中温度和盐度的新方法, 通过仿真计算, 反演出海水中的温度和盐度值, 为海洋环境、水下声场监测提供了数据支持。

由于海水的实际构成复杂, 除了水之外, 还包含悬浮颗粒、浮游植物、水中生物、黄色物质等一系列杂质, 为了便于研究, 本文中所分析的海水为不含杂质的纯海水。

1 温度与盐度反演的理论模型

布里渊散射是激光作用于海水时的一种光学传输特性, 表现为入射光波场与介质内弹性声波场之间相互作用而产生的一种散射现象, 是由光子与声波波阵面之间位移而产生的多普勒效应引起的。其主要特点是散射光的频率相对于入射光发生了频移, 这种频移量的大小, 则与散射方向以及介质内的声速特性有关。图1给出了光在声波上的布里渊散射图。

图1 光在声波上的布里渊散射示意图

统计意义上, 由大量质点热运动所形成的自发的弹性力学声波场广泛存在于任何光学介质内部, 这种声波场可分解为无数单色简谐平面波之和。在每一种单色平面声波场作用下, 介质密度将随时间和空间发生周期性变化, 从而引起对入射光波的“衍射”效应, 并且“衍射”光的频率将随声波场的速度和传播方向不同而产生变化。

海水的密度随着水中温度和盐度的变化而不同, 密度的变化又会引起布里渊散射的变化。式(1)中的, V均受到海水温度和盐度的影响。

假设在没有激光照射时, 激光功率点处, 海水介质内弹性运动的声波场压强为, 质点沿声波传播方向上的弹性运动速度为, 则介质内单位体积元的力学运动方程为[5]

当外部强激光场作用于介质的同时, 介质内部会产生电致伸缩力。此力与声压梯度所产生的力方向刚好相反, 并且作用在介质的单位体积元上。这时得出电致伸缩效应的介质运动方程如下

进一步推导, 可得描述激光雷达布里渊散射的回波信号方程组为

(6)

以上为海水布里渊散射频移量与海水温度和盐度的二元数学模型。

2 基于水下的激光雷达布里渊散射系统

图2 水下激光雷达探测系统

水下发射系统的工作过程: 激光发射器产生532 nm的激光脉冲, 经过准直处理, 激光波束开始水中传输; 激光束通过海水与水中悬浮粒子的散射, 基于距离选通的机制, 同一距离上, 源自同一光脉冲的布里渊散射频移信息和弹性散射信息同时到达同步控制器, 经布里渊散射频移检出, 得到实时的温度、盐度等信息, 并在显示器上实时显示。这一系统可在2方面带来优势。

1) 基于水下的激光雷达探测系统可实现低泵浦功率输出和高信噪比探测。因为有效地规避了近似于镜面反射的大气-海水界面, 从而减少了激光的反射及散射光, 背景干扰得到有效抑制, 接收系统信噪比得到了提高。

2) 由于系统不再简单依赖激光源的高泵浦功率、激光重复频率以及激光脉宽等硬件因素, 使得试验系统更易于实现, 试验费用大大降低。

3 仿真试验结果及分析

表1 布里渊散射信号功率与温度、盐度的关系

首先, 仿真了温度和布里渊散射信号功率的关系, 布里渊频移发生于水下20 m处, 如图3所示。

图3 水下20 m处温度与布里渊散射频移

图4 水下20 m处温度与布里渊信号散射功率

从图3、图4以及仿真中可以看出, 在同一深度处, 布里渊散射频移量是一个常数; 布里渊散射信号功率随着深度的增加而减小。到达水下40 m时, 布里渊散射信号功率能够达到10–8W量级, 这足以被雷达接收器有效地探测到[9]。在同一深度处, 布里渊散射频移量和布里渊散射信号功率随着温度的增加而增加。

其次, 仿真了盐度和布里渊散射的关系, 同上所述, 布里渊频移发生于水下20 m处, 如图5、图6所示。

图5 水下20 m处盐度与布里渊频移

图6 水下20 m盐度与布里渊散射信号功率

从图5、图6中可以看出, 在同一深度, 布里渊散射频移量首先减小, 然后随着盐度的增加而增加, 布里渊散射频移的最小值为7.5 GHz。但是布里渊散射信号功率则始终伴随着盐度的增加而减小。上述仿真得到的数据同T.O.Kirk实测的数据基本一致[10]。

4 结束语

根据对布里渊散射特性的研究, 提出了基于水下布里渊散射的海水温度与盐度反演方法。在分析激光雷达的布里渊散射频移、信号能量与海水的温度和盐度的关系中, 建立了反演海水温度与盐度的数学模型。从仿真结果来看, 相比较于以往的基于空域机载激光雷达的测量值, 该仿真结果更逼近于真实值。仿真结果证明, 基于直接水下探测的布里渊散射反演海水的温度与盐度技术是有效的、可行的。

本项研究是在假设海水为不含杂质的纯海水的基础上进行分析的, 后续的研究可在此基础上加入悬浮颗粒、浮游植物等海水中常见的杂质, 在接近海水实际环境的背景下进一步研究分析。

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[10] Kirk T O. Estimation of the Absorption and the Scattering Coefficients of Natural Waters by Use of Underwater Irradiance Measurements[J]. Applied Optics, 1994, 33: 3276-3278.

(责任编辑: 许 妍)

Inversion of Seawater Temperature and Salinity Based on Brillouin Scattering

LIU Jie

(Energy Technology & Services-Oilfield Technology Services Corporation, China National Offshore Oil Corporation, Tianjin 300452, China)

An underwater Brillouin scattering model is built by making use of the inelastic scattering effect between lidar and seawater, and an inversion method of seawater temperature and salinity is proposed. And the calculation formula of seawater temperature and salinity is derived via Brillouin scattering. The lidar with the wavelength of 532 nm is employed to simulate the relationship of Brillouin scattering with seawater temperature and salinity, thus the curves of frequency shift of Brillouin scattering versus seawater temperature and salinity for different depths are obtained to estimate the temperature and salinity at the corresponding depths. The estimated data are consistent with the experimental values.

Brillouin scattering; lidar; frequency shift; temperature; salinity

2013-11-29;

2014-04-15.

刘 杰(1981-),男,硕士,工程师,研究方向为石油工程、海洋防腐技术等.

TJ630; TN249

A

1673-1948(2014)04-0306-05