Odaklanma Okyanus Lazer Uzaktan Algılama Teknolojisinin Araştırma İlerlemesi
Deniz ekonomik gücünden deniz ekonomik gücüne dönüşüm geliştirme stratejisinin kurulmasıyla, deniz parametrelerinin uzaktan algılanması, deniz kaynak haritalaması, su altı hedef tespiti ve diğer alanlarda yeni ilkeler ve anahtar teknolojiler artan ilgi gördü. Küresel iklim ve ekolojik çevre sistemini incelemek, deniz ortamını iyileştirmek, deniz afet uyarısı ve deniz meteorolojik tahmin doğruluğunu geliştirmek için kullanılabilen okyanus sularının karakteristik parametrelerini (ses hızı, sıcaklık, tuzluluk, kırılma indisi, vücut viskozitesi vb.) Elde etmek için yukarıdaki araştırma sonuçlarını kullanmak. Küresel ısınmaya karşı önlemler gibi temel bilim alanlarının araştırılması için; ayrıca insanların geçimi ve ekonomisi alanındaki deniz bilgilerinin araştırılması ve araştırılmasının yanı sıra deniz kaynaklarının çok yönlü, yüksek verimli ve sürdürülebilir gelişimi ve kullanımı için güvenilir veri desteği sağlayın. Önemli araştırma değeri ve önemli sosyal faydaları vardır; özellikle Çin donanmasının yeni stratejik ihtiyaçları için teknik destek, denizcilik çıkarlarının korunması ve stratejik ve taktiksel küresel operasyonların aktif olarak araştırılmasını sağlar. Şu anda, akustik algılama yöntemleri okyanus algılama alanında her zaman baskın bir konumda olmuştur. Bununla birlikte, ses dalgalarının deniz suyundaki yayılma hızı, yalnızca deniz suyunun tuzluluğu, sıcaklığı ve su basıncı gibi çevresel faktörlerden büyük ölçüde etkilenmekle kalmaz, aynı zamanda okyanus sınır koşulları ve zamansal ve mekansal değişikliklerle de kısıtlanır. Sonar su altı görüntüleme teknolojisi uzun bir algılama mesafesine sahip olmasına rağmen, görüntü çözünürlüğü düşüktür ve küçük hedefleri tespit etmek zordur. Ek olarak, geleneksel temas optik ve elektriksel okyanus algılama yöntemlerinin küçük kapsama, yavaş ölçüm hızı ve senkron ölçümde zorluk gibi eksiklikleri vardır; temassız uydu kaynaklı mikrodalga radyasyonu ve kızılötesi radyasyon uzaktan algılama algılama teknolojisi, hızlı ve büyük ölçekli algılama sağlayabilir. Bununla birlikte, mikrodalgaların ve kızılötesinin son derece yüksek emilimi nedeniyle, yalnızca deniz suyu yüzeyine ilişkin bilgiler elde edilebilir. Bu nedenle, okyanus keşiflerindeki eksiklikleri gidermek ve yüksek hızlı, yüksek hassasiyetli, düşük maliyetli ve geniş alanlı okyanus keşiflerine ulaşmak için yeni lazer uzaktan algılama ilkeleri ve anahtar teknolojileri geliştirmeye acil bir ihtiyaç vardır.
Son yıllarda spektrum tespiti, interferometri ve zayıf sinyal tespiti gibi tekniklerin hızla gelişmesi, su kütlelerinde Brillouin saçılması ve Raman saçılması teorileri ve ilgili yüksek performanslı cihazların ortaya çıkması ile gerçek zamanlı, çok parametreli, Yüksek hassasiyetli algılama mümkün hale gelir. Şu anda, yerel araştırmalar, ışık saçılımı teorisine ve frekans tespitine ve görüntülemeye dayalı genlik tespitine dayanan okyanus lazer uzaktan algılamanın yeni ilkelerini ve anahtar teknolojilerini içermektedir. Çok sayıda bilimsel araştırma enstitüsü, Brillouin saçılma temel teorisi, Brillouin saçılım spektrum bilgisi edinme teknolojisi, Brillouin lidar su sıcaklığı tespiti, okyanus suyu karakteristik parametrelerinin elde edilmesi, su kabarcıkları, okyanus topografyası ve yer şekilleri alanlarında çok sayıda temel teori ve proje yürütmüştür. Teknik araştırma çalışması bir dizi orijinal araştırma sonucuna ulaşmıştır.
1. Okyanus lazer uzaktan algılama teorisi
Deniz lazer uzaktan algılama alanında, Çin'de ışık saçılımına ve ışık yansımasına dayalı iki tür uzaktan algılama teorisi geliştirilmiştir. Okyanus uzaktan algılamayı gerçekleştirmek için ışık saçan sinyallerin kullanımında, araştırma esas olarak Brillouin su kütlelerinin saçılması alanına odaklanıyor. Okyanus uzaktan algılamayı gerçekleştirmek için ışık yansıtma sinyallerinin kullanımında, araştırma esas olarak geri saçılan gürültünün nasıl bastırılacağına odaklanıyor.
Brillouin su kütlelerinin saçılması
Deniz suyunda rastgele yoğunluk dalgalanmaları vardır ve gelen ışığın Bragg kırınımına neden olan bir faz ızgarasına eşdeğer olan ses hızında deniz suyunda yayılan rastgele yoğunluk dalgalanmaları vardır.Kırınan ışığın frekansı, gelen ışığın frekansında (moleküler saçılma) bulunan Doppler kayması ± B üretir. Her iki tarafta ± 1.0cm-1 dahilinde. İlişki Şekil 1'de gösterilmektedir.
Şekil 1 Brillouin saçılmasının klasik fiziksel diyagramı
Deniz görüntüleme
Okyanus görüntülemede lazer ışık kaynağı, lidar sistemi (yansıma ve alıcı sistem), atmosfer, gaz-sıvı arayüzü ve deniz arasında gidip gelir.Lidar tarafından yayılan sinyal ışığı suya iletildiğinde, hedefte ve iletim zincirinde yansıyan bir sinyal üretir. Yoldaki su kütlesinin geri saçılma sinyali arasında zaman farkı vardır ve su kütlesindeki hedefin derinliğini gerçekleştirmek için zaman çözünürlüğü kullanılarak mesafe çözünürlüğü elde edilir. Okyanus iletiminde kullanılan optik teknolojinin en büyük problemi, lazer su ortamından geçerken büyük geri saçılmanın olmasıdır.Başlıca nedeni, deniz suyunda sarı maddeler denen çeşitli safsızlıklar ve yüzen maddelerin varlığıdır. Bu maddeler tarafından üretilen saçılma ve soğurma, hedef kontrastı büyük ölçüde azaltır ve algılama hassasiyetini sınırlar. Saçılan ışığın çoğu hedefe ulaşmadan fotodetektöre geri döner ve bu da güçlü bir dağınık gürültü seviyesine neden olur Hedefe ulaşan ve fotodetektöre geri dönen ışık, deniz suyunun ileriye doğru saçılmasından kaynaklanır. Fotodetektöre dönüldüğünde, hedef sinyalin kontrastını ve netliğini azaltan gürültü seviyeleri de üretilir. Aynı zamanda dedektörün gürültü seviyesini, yani yankı sinyalindeki karmaşayı da üretecek başka ışık kaynakları (güneş ışığı, yıldız ışığı vb.) Ve karanlık akımlar vardır. Ek olarak, bazı özel deniz alanlarında, güçlü türbülans ve kabarcıklar ve diğer karmaşık deniz ortamları da güçlü arka plan gürültüsü üretir. Bu nedenle, geri saçılan gürültü seviyesinin nasıl bastırılacağı, sistemin algılama performansını araştırmak için çok önemli bir teknik araç haline gelmiştir.
2. Su parametrelerinin lazerle uzaktan algılanması
Deniz suyu sıcaklığı, okyanusun durumunu karakterize eden en önemli parametredir Okyanusta meydana gelen hemen hemen tüm olay ve süreçler deniz suyu sıcaklığı ile ilgilidir ve dünyanın iklim değişikliği üzerinde çok önemli bir etkiye sahiptir. Bu nedenle, su parametrelerinin mevcut lazer uzaktan algılanması, deniz suyu sıcaklığı algılama alanına odaklanır. Mavi-yeşil lazer, deniz suyunda küçük bir zayıflama katsayısına sahip olduğundan ve belirli bir su derinliğine nüfuz edebildiğinden, su parametreleri için uzaktan algılama radarı, uyarma kaynağı olarak çoğunlukla mavi-yeşil lazerleri kullanır. Çin'de geliştirilen uzaktan algılama radarı, esas olarak su kütlesinin ışık saçılmasına dayanan Brillouin lidar sistemidir ve ön deniz denemeleri gerçekleştirilmiştir. Brillouin saçılması bir tür esnek olmayan saçılma olduğu için, saçılan ışık ile uyarma lazerinin merkez frekansı arasında bir frekans kayması vardır.Frekans kayması ses dalgası özellikleri ve su kütlesinin saçılma açısı ile ilgilidir ve sesin hızı ayrıca su kütlesinin sıcaklığı, tuzluluğu, yoğunluğu ve kırılmasıyla da ilgilidir. Hız gibi karakteristik parametreler yakından ilişkilidir. Bu nedenle, Brillouin lidar sistemi, Brillouin frekans kaymasını tespit etmek ve su sıcaklığını tersine çevirmek için kullanılabilir. Ek olarak, farklı deniz alanlarının ortalama tuzluluk oranı, okyanus tuzluluk tespit uyduları veya Raman lidar ile deniz suyu tuzluluğu elde edilebilir ve ardından deniz suyu kırılma indisi ile deniz suyu sıcaklığı, tuzluluk ve dalga boyu arasındaki nicel fonksiyon ilişkisi, deniz suyu sıcaklığını doğru bir şekilde elde etmek için kullanılabilir. Deniz suyu sıcaklık tespitinde ses hızı, tuzluluk, kırılma indisi ve vücut viskozite katsayısı aynı anda elde edilebilir. Halihazırda geliştirilen Brillouin frekans kayması algılama yöntemleri temel olarak taramalı Fabry-Perot (FP) interferometre yöntemini, gelişmiş şarj bağlı cihaz (ICCD) ölçümü ile birleştirilmiş FP etalon, Brillouin saçılma spektroskopisi ve çift kenar algılamayı içerir. Çin'de, Pekin Normal Üniversitesi, Çin Okyanus Üniversitesi, Nanchang Hangkong Üniversitesi, Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi ve Xian Teknoloji Üniversitesi, yukarıdaki algılama yöntemlerini kullanarak su parametreleri üzerinde lazer uzaktan algılama araştırması gerçekleştirmiştir. Tarama Fabry-Perot interferometre, Brillouin saçılma spektrumunu doğru bir şekilde ölçebilen, yüksek hassasiyetli bir spektrum ölçüm cihazıdır Şekil 2, Brillouin saçılma spektrumunu ölçmek için Fabry-Perot interferometresini taramak için cihaz ve cihazı göstermektedir. Ölçülen Brillouin spektrumu. Bununla birlikte, kullanılması gereken yüksek tepe güçlü darbeli lazerler genellikle düşük bir tekrar frekansına sahip olduğundan, bu kadar geniş bir spektrumu (yaklaşık 20GHz) tamamlamak uzun bir tarama süresi alır. (10Hz'lik tekrar frekansına sahip darbeli bir lazer kullanılırsa, yaklaşık 20MHz'lik bir ölçüm hassasiyeti elde edilir. , Tam bir Brillouin saçılım spektrogramını tamamlamak en az 100 saniye sürer).
(a) Deneysel cihaz
(b) Ölçüm sonuçları
Şekil 2 Brillouin saçılım spektroskopisini ve ölçüm sonuçlarını ölçen tarama yöntemi F-P interferometre
Şekil 3 Brillouin saçılma spektrumu ölçüm yöntemi ICCD ve F-P etalon tabanlı
Şekil 3, ICCD ve F-P etalon kullanarak Brillouin saçılma spektrumunu ölçmek için bir cihazı göstermektedir. Bu teknoloji, Brillouin saçılma lidarının pratik kullanımını teşvik eden saçılan ışığın paralelliği ve lazerin frekans stabilizasyon özellikleri konusunda katı gerekliliklere sahip değildir. Bununla birlikte, mevcut ICCD, Brillouin saçılma spektrumunun ölçüm hatasını ve ölçüm hızını sınırlayan büyük bir piksel boyutuna ve düşük bir kare hızına sahiptir.
Şekil 4 Çok kanallı F-P etalonuna dayalı çift kenar algılama yöntemi
Şekil 4, Xi'an Teknoloji Üniversitesi tarafından geliştirilen çok kanallı F-P etalonuna dayalı bir çift kenar algılama yöntemini göstermektedir. İletim sistemi, uyarma ışık kaynağı olarak dinamik frekans kilit teknolojisi ve frekans kaydırma telafisi yöntemi ile birlikte Nd: YAG darbeli lazerin (532nm) ikinci harmoniğine tohum enjeksiyonunu kullanır. İlk darbeden i-inci darbeye kadar uyarma ışık kaynağının aralık süresini (i) oluşturmak için bir zaman gecikmesi kullanılır ve darbeli ışının aralık süresi kademeli olarak artar ve sırayla su kütlesi ile etkileşime girer. Cassegraintelescope, farklı Dn (n = 1, 2, 3, ...) derinliklerinde uyarım ışını tarafından üretilen Rayleigh metre saçılımını, Raman saçılımını ve uyarılmış Brillouin saçılım yankı sinyallerini alır. Spektroskopik sistemde, önce Rayleigh-Meter saçılmasını ve Brillouin saçılmasını uyarmak için FPE1'i kullanır ve su tuzluluğunu elde etmek için Raman'ın anti-Stokes dalının spektral şeklini ölçmek için girişim spektroskopisini kullanır; ardından brom moleküler absorpsiyon hücresini kullanır. Rayleigh-metre saçılmasının bastırılmasından sonra, iki yola bölünür: İlk yol, uyarılmış Brillouin saçılmasının Stokes dalının frekans kaymasını elde etmek için çift kanallı FPE'ye dayalı çift kenar algılama teknolojisini kullanır; ikinci yol, foton korelasyonunu kullanır Uyarılmış Brillouin saçılma ışık yoğunluğunun otokorelasyon fonksiyonu G (2) () spektroskopi ile elde edilir ve uyarılmış Brillouin saçılma spektrum genişliği, dinamik ışık saçılımının otokorelasyon özelliklerinin ve Brillouin saçılma spektrum genişliğinin uyarılmış su kütlesinin birleştirilmesiyle elde edilir. .
3. Sualtı hedeflerinin lazerle uzaktan algılanması
Frekans algılama
Frekans tespitinde, su kütlelerinin geriye doğru saçılmasının frekans bilgisini elde etmek için su altı hedeflerini tespit etmek için lazer radar kullanılır. Bunlar arasında, esas olarak su kütlesinin uyarılmış Brillouin saçılımını kullanır. Saçılma, gelen ışık alanının yoğunluğu belirli bir eşiği aştığında ve ortamdan geçtiğinde, ortamın içinde elektrostriktif bir etki oluşturarak ortamın yoğunluğunun dalgalanmasına ve dolayısıyla heyecan verici hale gelmesidir. Tutarlı akustik dalga alanı ve Stokes dalı saçılmış ışık, akustik dalga ve saçılan ışık belirli bir yönde yayılacaktır, bu tür Brillouin saçılma işlemine uyarılmış radyasyonun özelliklerine benzer şekilde uyarılmış Brillouin saçılması denir. Yüksek sinyal-gürültü oranı, faz birleştirme özellikleri ve tek frekans özelliklerinin avantajlarına sahiptir. Yurtiçi Pekin Normal Üniversitesi, Nanchang Hangkong Üniversitesi, Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, vb., Hedef arayüz saf sıvıdan katı sıvıya değiştiğinde su altı hedeflerinin varlığını yargılamak için uyarılmış Brillouin saçılma girişim saçaklarının ortadan kalkmasını kullanır. Uyarılmış Brillouin saçılması, lazer ve tek bir su fazı ortamının etkileşiminin neden olduğu esnek olmayan saçılmadır.Su ortamı, su altı hedefinin olduğu yerde boşaltılır, bu nedenle uyarılmış Brillouin saçılması yoktur. Bu yöntem, Şekil 5'te gösterildiği gibi, su altı hedefinin etrafındaki çevresel alanın saçılma spektrumunun varlığını veya yokluğunu tespit ederek su altı hedefini tespit eder.
Şekil 5 Uyarılmış Brillouin saçılımına dayalı su altı hedefleri için lazer algılama yöntemi
Genlik algılama
Genlik tespitinde, su altı hedeflerinin şeklini tespit etmek için su altı hedeflerinin yansıyan ışık bilgisini elde etmek için lidar kullanılır. 1980'lerin sonundan bu yana, genlik tespiti lidar sistemleri üzerine yerel araştırmalar yürütülmektedir.Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, 1996 yılında Güney Çin Denizi'nde gerçekleştirilen bir havadan lidar okyanus algılama (CALYT) sistemini başarıyla geliştirmiştir. Lazer tarama, yüksek hızlı veri işleme fonksiyonları ile lidar algılama deneyi taşımak. Çin'de bu alandaki geç başlama nedeniyle, lidar sistemlerinin su altında tespiti konusunda daha az araştırma var ve gelişmiş ülkelerin araştırma seviyesinden olan mesafe hala nispeten büyük. Şu anda, birçok yerel araştırma enstitüsü: Tsinghua Üniversitesi, Çin Elektronik Bilim ve Teknolojisi Üniversitesi, Soochow Üniversitesi, Changchun Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Chongqing Optoelektronik Teknolojisi Enstitüsü, Tianjin Jinhang Teknik Fizik Enstitüsü vb. Mavi-yeşil lidar üzerine teorik ve uygulamalı araştırmalar da yürüttü. Şekil 6 ve Şekil 7'de gösterildiği gibi, taramalı senkron uzaysal filtreleme teknolojisi, polarize ışık su altı görüntüleme teknolojisi, mesafe geçitleme teknolojisi, taşıyıcı modülasyon teknolojisi, vb., Güçlü arka plan gürültüsü sorununu çözmek ve yüksek çözünürlüklü su altı hedef görüntüleri elde etmek için kullanılır.
(a) Deneysel cihaz
(b) Ölçüm sonuçları
Şekil 6 Hedef görüntüleme ve görüntü işlemeye dayalı su altı hedeflerinin lazerle tespiti
(a) Deneysel cihaz
(b) Ölçüm sonuçları
Şekil 7 Taşıyıcı modülasyonuna dayalı su altı hedeflerinin lazer tespiti
4. Okyanus topografyasının lazerle uzaktan algılanması
Lazer okyanus sondajı ve deniz tabanı topografyası, Çin'in dünya trendini yakından takip ederek geliştirmekte olduğu bir araştırma alanıdır.Lidar kullanarak su altı algılama teknolojisi kabaca dört geliştirme aşamasına ayrılabilir. İlk aşama, 1960'larda ve 1970'lerde Avustralya tarafından geliştirilmiştir. Başarılı WRELADS-I sistemi temsil edilir.Bu nesil sistemlerde lazer tarama ve yüksek hızlı veri kayıt fonksiyonları yoktur.Ağırlıklı olarak lazer sondaj mekanizması araştırması yapar ve deniz derinliği ölçümü için kullanılır; ikinci geliştirme aşaması 1980'den 1990'a kadardır. O zamanlar, lazer sondaj sistemi genel olarak lazer tarama, uçak konumlandırma ve yüksek hızlı veri kaydetme işlevlerini artırdı ve bu da havadan lazer deniz suyu derinliği ölçüm sistemini havadan lazer ölçme ve haritalama deniz dibi arazi şekline dönüştürdü. Ana temsilci çalışmaları şunlardır: Avustralya WRELADS-II, Kanada LARSEN500, US SHOALS, vb .; üçüncü aşama, 1990'larda İsveç tarafından başarılı bir şekilde geliştirilen HAWK EYE sistemi ile temsil edilmektedir. Genellikle yarı iletken pompalı Nd: YAG lazer kullanılır ve havada uçuş yapmak için GPS uydu küresel konumlandırma sistemi eklenir. Açık deniz tabanı jeomorfolojisinin lazerle haritalanması pratik kullanıma girmiştir. Dördüncü aşama, ABD SHOALS yükseltme sistemi SHOALS-1000T tarafından temsil edilen 21. yüzyıla girildiğinden beri. SHOALS-1000T ile SHOALS arasındaki en büyük fark, aynı anda su altında algılama yapabilen kapsamlı ve tam işlevli bir dijital kamera içermesidir. zemin. Bu sistem tarafından toplanan veri miktarı, orijinal sistemin 2,5 katıdır, ancak toplam güç tüketimi, orijinalin yalnızca üçte biridir. Şu anda, Çin Bilimler Akademisi'nin Şangay Optik ve İnce Mekanik Enstitüsü, havada okyanus sondajı ve arazi algılama sistemi geliştirdi ve Şekil 8'de gösterildiği gibi pratik uygulamasını gerçekleştirdi.
(a) Algılama sistemi
(b) Ölçüm sonuçları
Şekil 8 Şanghay Optik ve İnce Mekanik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi tarafından geliştirilen ILADM-II havadan okyanus sondaj sistemi
V. Sonuç
Şu anda, Ulusal Savunma için Bilim, Teknoloji ve Sanayi Komisyonu'nun Özel Uzaktan Algılama Teknolojisi Projesi, Deniz Donanımı Araştırma Öncesi İnovasyon Projesi, Ulusal Yüksek Teknoloji Programı ve Ulusal Doğa Bilimi Vakfı, su altı hedef lazer tespitinin yeni ilkeleri ve anahtar teknolojileri üzerine araştırmalar için arka arkaya finansman başlattı. 2017'de, Okyanus Geliştirme Stratejisi Forumu Pekin'de düzenlendi ve "Bir denizcilik gücü oluşturmaya yardımcı olmak için yüksek kaliteli bir okyanus düşünce kuruluşu inşa etmek" sloganını ortaya koydu; 2018'de, ikinci Ulusal Okyanus Optik Zirvesi Forumu, okyanus optiği alanındaki en son gelişmeleri sergileyen Xi'an'da düzenlendi Araştırma sonuçları, disiplinlerin sınır gelişimi ve araştırma noktaları, teknolojik yenilikleri sergilemek, teknoloji uygulamalarını teşvik etmek ve işbirliğini tartışmak için okyanus lazer uzaktan algılama için açık bir akademik platformdur. Bu nedenle, deniz lazer uzaktan algılama teknolojisinin geliştirilmesi ve uygulanması, Çin'in engin okyanuslarının güvenliği için geniş kapsamlı pratik öneme sahiptir ve gelişmiş Batılı ülkeler tarafından Çin'in teknolojik ablukası araştırma sonuçlarını daha stratejik hale getirmektedir.
Kaynak: Akarsuda Okyanus YaşamıYazar: Lantern Xin Wang Jun
