L 激光与光电子学进展 aser&optoelectronics Progress 图 1 用 F-P 扫描干涉仪测量水中布里渊散射的实验装置图水雷鱼雷等 ) 存在时, 物体所在处等效于没有水, 从此位置处回来的散射信号中将没有布里渊散射信号, 所以可以通过散射信号中有无布里渊散射信号来判断水中某

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1 基于布里渊散射的水下目标探测 Submerged Objects Detection Based on Brillouin Scattering 戴瑞 1 弓文平石锦卫刘大禾蓸 1 东北师范大学物理学院, 吉林长春北京师范大学物理系应用光学北京市重点实验室, 北京 DAI Rui 1 GONG Wenping SHI Jinwei LIU Dahe 晌上上上上上上上尚上 1 Department of Physics, Northeast Normal University, Changchun, Jilin 13004, China Department of Physics, Beijing Area Major Laboratory for Applied Optics,Beijing Normal University, Beijing , China 蔀裳梢梢梢梢梢梢梢捎梢摘要用布里渊散射信号可以探测水下目标介绍三种基于布里渊散射的水下目标探测方法 :F-P 扫描干涉仪探测方法边缘探测方法 F-P 标准具 -ICCD 探测方法, 并对这三种方法进行了分析和比较关键词布里渊散射 ; 水下目标 ;F-P 扫描干涉仪 ; 边缘探测 ;F-P 标准具 ;ICCD Abstract The Brillouin scattering technology is anew method of detecting submerged objects. Three methods of detecting submerged object based on Brillouin scattering, high resolution scanning F-P interferometer, edge detection technique and solid F-P etalon -ICCD camera, are introduced. Comparison and analyse are made about these three methods. Keywords Brillouinscattering;submergedobjects;F-Pinterferometer;edgedetection;F-Petalon;ICCD 中图分类号 O 源猿远援圆 1 引言水下目标探测技术不仅可以用于民用事业, 如探测海洋生物研究近海底地形等, 还可以用于国防军事等方面, 如探测鱼雷水雷隐形潜艇等, 与水下目标探测相关的计算机模拟反演以及影像等的研究工 [1 耀 ] 作已有许多相关报道水下目标的探测手段有多种, 有的借助声纳技术, 有的利用激光进行探测, 但相 [3 耀 7] 关报道都是基于幅度探测方法的, 即主动发射探测信号, 当信号遇到物体后, 被物体反射散射, 若信号接收器探测到的回波信号足够强, 则可判断水下目标存在随着幅度探测技术的广泛应用, 针对幅度探测 [4] 的隐身技术也得到了深入研究, 目前的隐身技术, 主要集中在如何吸收或削弱雷达波红外波及声波, 或利用噪声压制回波信号, 或利用特殊的表面形状将信号反射到其他方向, 从而达到隐身目的, 而布里渊散射激光雷达探测与常规的幅度探测方法有本质的不同, 其不是直接探测目标的散射光谱, 而是探测目标场 ( 如水空气等 ) 的散射光谱在具体技术上, 则是采用调频探测的技术, 探测回波信号的频率移动, 而不是回波信号的幅度, 从而可以对隐身目标进行实时探测因此, 用布里渊散射探测水下目标在国民经济以及军事方面都有非常广泛的应用前景用布里渊散射探测水下目标的三种方法布里渊散射激光雷达是利用声光相互作用产生的非弹性光散射现象, 当一束激光射入水中时, 会发生弹性散射和非弹性散射弹性散射主要为瑞利散射, 这类散射光频率与入射光频率相同 ; 而布里渊散射为非弹性散射, 散射光相对于入射光有频移, 频移 v B [9] 的大小由声速 V s 散射角 θ 等参量确定 v B = 依 sin θ s 蓸 n λ 蔀, 式中 n 为液体的折射率当水中有物体 ( 如 V Feb. 008 VOL.45 NO.

L 激光与光电子学进展 aser&optoelectronics Progress 图 1 用 F-P 扫描干涉仪测量水中布里渊散射的实验装置图水雷鱼雷等 ) 存在时, 物体所在处等效于没有水, 从此位置处回来的散射信号中将没有布里渊散射信号, 所以可以通过散射信号中有无布里渊散射信号来判断水中某个位置是否存在其他物体用布里渊散射探测水下目标的方法, 由刘大禾研究小组在 004

03 % 等, 为了适合实际环境的应用, 该研究小组进一步提出用 F-P 标准具 -ICCD 接收水中布里渊散射信号.

2 L 激光与光电子学进展 aser&optoelectronics Progress 图 1 用 F-P 扫描干涉仪测量水中布里渊散射的实验装置图水雷鱼雷等 ) 存在时, 物体所在处等效于没有水, 从此位置处回来的散射信号中将没有布里渊散射信号, 所以可以通过散射信号中有无布里渊散射信号来判断水中某个位置是否存在其他物体用布里渊散射探测水下目标的方法, 由刘大禾研究小组在 004 年第一次提出, 这是一种新的水下目标探测方法布里渊散射频移非常小, 光强也非常弱, 对信号接收仪器和光谱分析仪器的要求非常高刘大禾和 E.S. [9 耀 15] Fry 研究小组先后采用了 F-P 扫描干涉仪和边缘探测两项技术测量水中的布里渊散射信号, 并取得了很好的实验结果声速测量精度高于 1m/s, 温度测量精度高于 0.1 益, 盐度测量精度高于 0.03 % 等, 为了适合实际环境的应用, 该研究小组进一步提出用 F-P 标准具 -ICCD 接收水中布里渊散射信号.1 用 F-P 扫描干涉仪探测水下目标要精确地测量海水中的布里渊散射光谱, 要求激光器具有很好的稳定性, 且线宽很窄实验中选择了用大功率的种子注入式锁模脉冲 YAG 激光器作为光源 [9] 为了获得高分辨率的光谱, 采用了高精度的 F-P 扫描干涉仪 (Burleigh RC-110), 由 Burleigh RG-93 驱动器驱动扫描扫描干涉仪由两个平面镜组成, 每个平面镜的反射率均为 99.5 %, 因此, 扫描干涉仪可获得相当高的精度, 但对入射光的平行度要求很高实验中设定扫描干涉仪的自由光谱范围为 GHz, 扫描周期为 100 s, 这是由于在每秒 0 个脉冲的情况下, 短扫描周期会造成信号的采样数过低, 从而影响测量精 [14] 度, 实验装置如图 1 所示图为用高精度的 F-P 扫描干涉仪探测水下目标的实验结果图 (a) 为室温下水下无物体时的实验结果, 散射光谱中既有瑞利散射峰 ( 中心谱线 ), 又有布里渊散射峰, 布里渊散射峰对称地分布在瑞利散射峰两侧, 分别为斯托克斯线和反斯托克斯线, 发生的是自发布里渊散射图 (b) 和图 (c) 分别为室温下 10 cm 处水下物体为小铝板和小木板的实验结果, 当水下有物体时, 无论是高反射率的小铝板, 还是低反射率的小木板, 散射光谱中只有瑞利散射峰而没有布里渊散射峰, 两图区别在于探测到的瑞利散射峰的强度不同, 即用布里渊散射方法探测水下是否有其他物体存在时, 与物体本身的反射率无关, 所以可用于反隐身探测用 F-P 扫描干涉仪探测水下目标时, 通过散射峰中有无布里渊散射峰就可以直接判断出水下是否有其他物体存在有布里渊散射峰为水下无物体, 无布里渊散射峰为水下有其他物体, 判断手段非常直观但用这种方法探测水中布里渊散射信号时, 为了获得高分辨率, 对扫描干涉仪的接收立体角有一定限制, 对入射光的平行度要求很高 ; 另一方面由于干涉仪扫描周期很长, 为 100 s, 所以这套实验装置不能实现真正意义上的实时监测. 用边缘探测方法探测水下目标 [17] 为了实现实时测量, 根据 C.Laurence Korb 等用边缘探测技术测量大气散射多普勒频移和 [18] Piironen 等用碘分子滤波器发展的一种高分辨率的激光雷达系统, 刘大禾研究小组提出用溴分子吸收池作为带阻滤波器吸收散射信号中的瑞利散射光和图 (a) 水下无物体图 ;(b) 水面下 10 cm 处有一小铝板 ;(c) 水面下 10 cm 处有一小木板中国光学期刊网

图 3 用边缘探测方法测量水中布里渊散射的实验装置图 M 为反射镜,BS 为 1:1 分束镜,D 1 D 为探测器杂散光, 碘分子吸收池作为边缘滤波器来探测水中布里渊散射频移微小的变化, 实验装置如图 3 所示实验中仍使用子注入式锁模脉冲 YAG 激光器作为光源,

之间有很好的相关性图 5 为室温下用边缘探测方法探测水下 10 cm 处有一黑布包裹的一小铝板时的实验结果信号 S 1 和 S 的强度都为零, 并且信号 S 1 和 S 之间没有任何关系或相关性很差, 与物体本身的反射率无关, 可用于反隐身探测用边缘探测方法探测水中目标具有很高的灵敏度,

能做到实时监测但为了使激光器的输出频率与带阻滤波器的频率相匹配, 需对激光器进行某种程度的改进, 而对激光器的任何改进和调整都是比较困难的, 并且种子激光器的稳频装置对振动又非常敏感, 给实际应用带来不便.

3 图 3 用边缘探测方法测量水中布里渊散射的实验装置图 M 为反射镜,BS 为 1:1 分束镜,D 1 D 为探测器杂散光, 碘分子吸收池作为边缘滤波器来探测水中布里渊散射频移微小的变化, 实验装置如图 3 所示实验中仍使用子注入式锁模脉冲 YAG 激光器作为光源, 但为了使激光器的输出频率与带阻滤波器的频率相匹配, 对激光器进行某种程度的改进测量不同温度下信号 S 1 和 S 的值, 并定义归一化布里渊散射信号为 S (v B )=S /S 1 图 4 为在室温下用边缘探测方法探测水下无物体时的实验结果信号 S 1,S 的强度不为零, 并且 S 1 与 S 之间有很好的相关性图 5 为室温下用边缘探测方法探测水下 10 cm 处有一黑布包裹的一小铝板时的实验结果信号 S 1 和 S 的强度都为零, 并且信号 S 1 和 S 之间没有任何关系或相关性很差, 与物体本身的反射率无关, 可用于反隐身探测用边缘探测方法探测水中目标具有很高的灵敏度, 可以通过信号 S 1,S 的强度是否为零以及它们之间相关性的好坏来判断水下是否有物体当水下无物体时, 信号 S 1,S 的强度不为零, 它们有很好的相关性 ; 当水下有物体时,S 1,S 的强度为零, 它们之间没有任何关系或相关性很差这种判断方法也较直接准确, 而且对入射光的角度没有任何要求, 能做到实时监测但为了使激光器的输出频率与带阻滤波器的频率相匹配, 需对激光器进行某种程度的改进, 而对激光器的任何改进和调整都是比较困难的, 并且种子激光器的稳频装置对振动又非常敏感, 给实际应用带来不便.3 用 F-P 标准具 -ICCD 探测水下目标为了适合实际环境的应用, 刘大禾研究小组进一步提出用 F-P 标准具 -ICCD 探测水中的布里渊散图 4(a) 信号 S 1 S 和 S 的强度 ( 水下无物体 );(b) 信号 S 1 和 S 的相关性 ( 水下无物体 ) 图 5(a) 信号 S 1 S 和 S 的强度 ( 水下有物体 );(b) 信号 S 1 和 S 的相关性 ( 水下有物体 ) Feb. 008 VOL.45 NO.

L 激光与光电子学进展 aser&optoelectronics Progress 图 6 用 F-P 标准具 -ICCD 测量水中布里渊散射的实验装置图射信号, 实验装置如图 6 所示, 激光回波信号进入探测光路经过固体 F-P 标准具后形成多级干涉光谱, 每级干涉光谱包含半径不同的两个圆环, 布里渊散射分量在内, 瑞利散射分量在外, 如图 7 所示

为加了聚焦装置后由 F-P 标准具 -ICCD 测得的在室温下 0 m 深处水中没有物体时布里渊散射实验结果, 每一干涉级有两个圆环实验中发现斯托克斯线的有无与水中是否有物体有直接的关系, 当水中有物体时, 斯托克斯线将会消失, 如图 8(b) 为在室温下 0 m 深处放一用黑布包裹的小木板时的实验结果, 每一干涉级只有一个圆环, 为瑞利散射分量, 与物体本身的反射率无关, 可用于反隐身探测

4 L 激光与光电子学进展 aser&optoelectronics Progress 图 6 用 F-P 标准具 -ICCD 测量水中布里渊散射的实验装置图射信号, 实验装置如图 6 所示, 激光回波信号进入探测光路经过固体 F-P 标准具后形成多级干涉光谱, 每级干涉光谱包含半径不同的两个圆环, 布里渊散射分量在内, 瑞利散射分量在外, 如图 7 所示当激光照射强度超过发生水中受激布里渊散射的阈值时, 在水中发生的是受激布里渊散射, 其光谱不对称, 布里渊图 7 散射信号在 ICCD 上的影像 ( 水中无物体 ) 散射主要为斯托克斯线, 反斯托克斯线非常弱甚至没有, 即布里渊散射光相对于入射光发生了多普勒红移, 所以布里渊散射分量在内瑞利散射分量在外为了减少能量损耗, 在探测系统中, 激光光束进入水槽之前加入了聚焦装置, 图 8(a) 为加了聚焦装置后由 F-P 标准具 -ICCD 测得的在室温下 0 m 深处水中没有物体时布里渊散射实验结果, 每一干涉级有两个圆环实验中发现斯托克斯线的有无与水中是否有物体有直接的关系, 当水中有物体时, 斯托克斯线将会消失, 如图 8(b) 为在室温下 0 m 深处放一用黑布包裹的小木板时的实验结果, 每一干涉级只有一个圆环, 为瑞利散射分量, 与物体本身的反射率无关, 可用于反隐身探测这种探测方法使得布里渊散射信号的信噪比提高了许多, 增加了探测深度, 其深度分辨率也可提高到 0 cm 用 F-P 标准具 -ICCD 探测水下目标时, 可以直接通过同一级干涉圆环的个数判断水下是否有其他物体存在, 有一个圆环为水下有物体, 有两个圆环为水下无物体从图中可以很明显地看出, 实验中得到的散射信号非常直观, 在计算机上很容易进行人工判读, 也可以通过软件程序进行计算机自动判读, 而且这套实验系统对入射光的平行度要求不高, 对振动也不敏感, 克服了前两种方法的不足, 更适合在实际环境中应用, 并能做到真正意义上的实时监测 3 小结通过对三种水下目标探测方法的分析可知, 它们共同的特点是判断手段非常简单, 都体现了布里渊散射方法的反隐身特性不同之处在于 :1) F-P 扫描干涉仪和 F-P 标准具 -ICCD 两种方法可以直接得到散射光谱, 而边缘探测方法无法直接得到散射光谱, 这对海洋参量的监测十分不利 ;) 通过在 F-P 标准具 - ICCD 这套探测系统中加入聚焦装置, 可以改变激光光束在被测区域的聚焦位置, 从而实现对不同深度的探测, 提高探测深度和深度分辨率 ;3) 边缘探测和 F- P 标准具 -ICCD 两种方法对入射光的平行度无要求, 并可以做到真正意义上的实时监测, 而 F-P 扫描干涉仪对入射光的平行度要求很高, 由于扫描周期长, 不能做到实时监测 ;4) 边缘探测方法需要对激光器进行改装, 种子激光器的稳频装置对振动非常敏感, 实验结果与分子滤波器的选择有关, 不适合广泛应用而 F-P 扫描干涉仪和 F-P 标准具 -ICCD 两种方法不需要对激光器进行改进, 可以与许多激光器配合使用通过对比分析,F-P 标准具 -ICCD 探测系统更适图 8 激光光束进入水槽前加入聚焦装置后 (a) 散射信号在 ICCD 上的影像 ( 水中无物体 );(b) 散射信号在 ICCD 上的影像 ( 水中有物体 ) 中国光学期刊网

合在实际环境中应用综上所述, 用布里渊散射探测水下目标是一种调频非接触式的方法, 这种探测方法与物体的反射率无关, 具有极好的反隐身特性和抗干扰能力, 而且具有散射信号直观判断手段直接对探测样品无损害等优点所以基于布里渊散射的 F-P 标准具 -ICCD 探测系统将在国民经济与国防建设方面有着巨大的潜在应用价值如果进一步开展大气中布里渊散射方面的研究,

5 合在实际环境中应用综上所述, 用布里渊散射探测水下目标是一种调频非接触式的方法, 这种探测方法与物体的反射率无关, 具有极好的反隐身特性和抗干扰能力, 而且具有散射信号直观判断手段直接对探测样品无损害等优点所以基于布里渊散射的 F-P 标准具 -ICCD 探测系统将在国民经济与国防建设方面有着巨大的潜在应用价值如果进一步开展大气中布里渊散射方面的研究, 其对隐身飞机及反辐射导弹的研究也将有广泛的应用前景收稿日期 : 基金项目 : 东北师范大学自然科学青年基金 (006003), 国家 863 计划 (00AA633110) 资助课题作者简介 : 戴瑞 (1976~), 女, 吉林人, 讲师, 主要从事光散射方面的研究 dair986@nenu.edu.cn 参考文献 1 Framk M. Gaimi. Laser light imaging for underwater use [J]. Sea Technology, 1993, 5(1):~7 Jules S. Jaffe. Computer modeling and design of optimal underwater imaging system [J]. IEEE J. Oceanic Eng.,1990, 15:101~111 3 马建林, 金箐, 刘勤等. 多波束与侧扫声纳海底目标探测的比较分析 [J]. 海洋测绘,006, 6(3):10~1 4 魏晓庆. 舰船雷达波隐身技术的现状和展望 [J]. 舰船科学技术,00, 4(3):38~41 5 黄祥兵, 陈霖, 王志国. 舰艇雷达隐身技术研究 [J]. 船海工程,00, :1~4 6 付伟. 红外隐身原理及其应用技术 [J]. 红外与激光工程,00, 31(1):88~93 7 李荣福, 崔桂华. 激光 / 声在反隐身探潜中的应用 [J]. 舰船科学技术,1995,:11 耀 14 8 W. Gong, R. Dai, Z. Sun et al.. Detecting submerged objects by Brillouin scattering [J]. Appl. Phys. B,004, 79(5): 653~659 9DaheLiu, JianfengXu, RongshengLi et al.. MeasurementsofsoundspeedinthewaterbyBrillouinscattering using pulsed Nd:YAG laser[j]. Opt. Commun., 00, 03(3-6):335~ E. S. Fry, Y. Emery, X. Quan et al.. Accuracy limitations on Brillouin lidar measurements of temperature and sound speeding the ocean[j]. Appl. Opt., 1997, 36(7):6887~ 刘大禾,Jefferey W. Katz. 水中布里渊散射的边缘探测方法 [J]. 中国激光,1999, A6(4):307~310 1 E. S. Fry. J. Katz, DaheLiu et al.. TemperaturedependenceoftheBrillouinlinewidth inwater[j]. J. Mod. Opt., 00, 49(3-4):411~ 刘大禾, 汪华英, 周静. 布里渊散射法测量盐度及温度不同的海水中的声速 [J]. 中国激光,000, A7(4):381~ 徐建峰, 李荣胜, 周静等. 用布里渊散射测量水的体粘滞系数 [J]. 光学学报,001,1(9):111~ R. Dai, W. Gong, J. Xu et al.. The edge technique as used in Brillouin lidar for remote sensing of the ocean [J]. Appl. Phys. B,004, 79():45~48 16 J. Shi, G. Li, W. Gong et al.. Alidarsystem basedonstimulatedbrillouinscattering [J]. Appl. Phys. B,007, 86(1): 177 耀 C. Laurence Korb, Bruce M. Gentry, Chi Y. Weng. Edge technique: theory and application to the lidar measurement of atmospheric wind [J]. Appl. Opt., 199, 31(1):40~ P. Piironen, E. W. Eloranta. Demonstration of ahigh-spectral-resolution lidar based on an iodine absorption filter [J]. Opt. Lett., 1994, 19(3):34~36 Feb. 008 VOL.45 NO.

目录第一部分序厦门大学嘉庚学院简介... 3 第二部分教学管理厦门大学嘉庚学院教师工作规范... 5 厦门大学嘉庚学院课程班管理说明... 15 厦门大学嘉庚学院本科生毕业

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