基于拉曼-布里淵散射的海水鹽度精細(xì)探測(cè)遙感方法*

鮑冬 華燈鑫 齊豪 王駿

(西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048)

鹽度是海洋學(xué)中重要的物理參量之一,其對(duì)生物學(xué)研究、氣候模擬、天氣預(yù)報(bào)以及颶風(fēng)路徑預(yù)測(cè)都具有極其重要的意義.在基于拉曼光譜的海洋鹽度遙感探測(cè)中,由于拉曼光譜同時(shí)與鹽度及海水溫度相關(guān),因此反演鹽度時(shí),需要參數(shù)假設(shè),從而降低探測(cè)精度.為實(shí)現(xiàn)對(duì)鹽度的高精度遙感探測(cè),本文提出了融合水體布里淵散射與拉曼散射光譜的鹽度精細(xì)反演方法.文中根據(jù)拉曼光譜的低頻部分與高頻部分的面積比值與水體溫度和鹽度有定量的關(guān)系,利用最小二乘方法,建立拉曼光譜與溫度和鹽度的二元函數(shù)方程.由于布里淵頻移量的大小與介質(zhì)中的聲速相關(guān),而聲速變化是由溫度和鹽度的變化引起,因此布里淵頻移量的大小也同時(shí)與鹽度及海水溫度相關(guān).激光雷達(dá)遙感探測(cè)方法可以同時(shí)探測(cè)拉曼光譜和布里淵頻移這兩個(gè)參量,因此利用拉曼光譜和布里淵頻移與鹽度和溫度之間的關(guān)系,建立了鹽度高精度反演模型,并分析了探測(cè)結(jié)果的誤差,得到鹽度的反演誤差小于0.47‰.

1 引言

鹽度是海洋學(xué)中重要的物理參數(shù)之一[1].鹽度的變化與海洋環(huán)境和氣候變化具有強(qiáng)烈的內(nèi)在聯(lián)系,鹽度在海洋學(xué)中的分布是揭示海洋物理和生物行為特征的重要指標(biāo).其決定了氧溶解度,進(jìn)而影響動(dòng)植物的初級(jí)生產(chǎn)和分配.因此,鹽度探測(cè)對(duì)生物學(xué)研究、氣候模擬、天氣預(yù)報(bào)以及颶風(fēng)路徑預(yù)測(cè)都有極其重要的意義[2].目前,鹽度探測(cè)的主要方法包括采樣分析、浮標(biāo)探測(cè)、衛(wèi)星遙感和激光遙感等[3].采樣分析通常使用溫鹽深儀(conductivity temperature depth profiler,CTD)[4];浮標(biāo)探測(cè)主要采用阿爾戈(Array for Real-time Geostrophic oceanography,Arog)浮標(biāo)[5],然而該方法實(shí)現(xiàn)海水大面積鹽度探測(cè)困難,且獲得的鹽度數(shù)據(jù)分辨率較低;美國(guó)NASA 針對(duì)Goddard 航天中心研制的被動(dòng)微波輻射計(jì)(Electronically Scanned Thinned Array Radiometer,ESTAR)是首臺(tái)星載海面鹽度遙感探測(cè)輻射計(jì),其后土壤濕度和海洋鹽度(Soil Moisture and Ocean Salinity,SMOS)衛(wèi)星的發(fā)射進(jìn)一步推進(jìn)了衛(wèi)星遙感海面鹽度的發(fā)展[6],然而衛(wèi)星遙感只能獲得海洋表層的溫度和鹽度;Artlett和Pask[7],Burikov 等[8]以及Wall 和Hornig[9]利用激光遙感方法研究了水體拉曼(Raman)散射光譜與鹽度的關(guān)系,該方法可滿足海洋學(xué)中大海域鹽度高分辨率、快速、連續(xù)廓線監(jiān)測(cè)的探測(cè)需求,然而Raman 光譜同時(shí)與鹽度及海水溫度相關(guān),反演鹽度時(shí),需要參數(shù)假設(shè),這樣會(huì)降低鹽度探測(cè)精度.

為實(shí)現(xiàn)對(duì)鹽度的高精度遙感探測(cè),本文提出了融合水體布里淵(Brillouin)散射與Raman 散射光譜的鹽度精細(xì)反演方法.Brillouin 散射是指入射到介質(zhì)的光波場(chǎng)與介質(zhì)內(nèi)的彈性聲波場(chǎng)發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的一種光散射現(xiàn)象.Brillouin 頻移量的大小與介質(zhì)內(nèi)的聲速相關(guān),而聲速變化是由溫度和鹽度的變化引起的,因此Brillouin 頻移量也受溫度和鹽度的影響[10].Raman 散射光譜強(qiáng)度受溫度和鹽度變化的影響,散射光譜低頻部分與高頻部分的面積比值與溫度和鹽度變化具有定量的函數(shù)關(guān)系.由于激光雷達(dá)遙感探測(cè)方法可以同時(shí)探測(cè)Raman 光譜和Brillouin 頻移這兩個(gè)參量,融合Raman 散射光譜和Brillouin 頻移與鹽度和溫度之間的關(guān)系,建立海水鹽度的高精度反演模型.該模型的建立使得鹽度反演不需要參數(shù)假設(shè),提高了鹽度反演精度,為研究海洋學(xué)的發(fā)展提供更可靠的數(shù)據(jù)支持.

2 理 論

2.1 Raman 散射理論

Raman 散射是由分子振動(dòng)或固體中晶格振動(dòng)引起的光散射現(xiàn)象.在整個(gè)的4π 立體角范圍對(duì)各方向的平均的單個(gè)分子n←m 振動(dòng)躍遷的總散射截面σmn是[11]:

式中,Imn是n←m 振動(dòng)躍遷的Raman 散射強(qiáng)度,I0和v0是激發(fā)光束的強(qiáng)度和頻率,vmn是Raman模的振動(dòng)頻率.g 是初態(tài)m 的簡(jiǎn)并度因子,f(T)是初態(tài)的熱分布的玻爾茲曼權(quán)重系數(shù).αρσ(v0)是激發(fā)頻率下對(duì)分子所有方向進(jìn)行平均的Raman 極化率張量ρ,σ 分量.

在90°散射方向上進(jìn)行Raman 測(cè)量,此時(shí)激發(fā)光偏振方向垂直于散射平面,微分Raman 散射截面公式如下[12]:

式中,b 是零點(diǎn)振幅,b=(h/8π2cvmn)1/2,α′2是極化率張量的平均值不變量,γ′2是極化率張量的有向性不變量,h 是普朗克常數(shù),c 是光速,k 是玻爾茲曼常數(shù),T 是絕對(duì)溫度,L(v0)是局域場(chǎng)修正因子,它的表達(dá)式如下:

式中,ns和n0是在(v0–vmn)和v0處樣品折射率.

根據(jù)(2)式和(3)式可以看出,Raman 散射截面是一個(gè)與溫度、激發(fā)頻率和溶液濃度(與鹽度相關(guān))等相關(guān)的函數(shù).

2.2 Brillouin 散射理論

Brillouin 散射是指入射到介質(zhì)的光波場(chǎng)與介質(zhì)內(nèi)的彈性聲波場(chǎng)發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的一種光散射現(xiàn)象.散射光的頻率相對(duì)于入射光的頻率發(fā)生了變化,而且這種變化和散射角以及散射介質(zhì)內(nèi)的聲波場(chǎng)的特性有關(guān).海水Brillouin 頻移表示為[13?16]

式中,n 為海水折射率,S 為海水鹽度,V 為海水聲速,t 為海水溫度,λ 為入射波波長(zhǎng),θ 為散射角.

海水折射率n 與聲速V 均與海水溫度和鹽度相關(guān),因此在已知入射波長(zhǎng)時(shí),海水Brillouin 頻移是與海水溫度和鹽度相關(guān)的二元函數(shù).目前利用Brillouin 散射探測(cè)海水參量,主要是用于探測(cè)海水溫度.根據(jù)Brillouin 頻移隨溫度和鹽度變化的規(guī)律,利用最小二乘原理,獲得海水溫度反演公式如下[17?21]:

式中,wi為擬合系數(shù),數(shù)值可參照文獻(xiàn)[18]

3 分光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 給出了海水鹽度探測(cè)激光雷達(dá)分光系統(tǒng)光路工作原理.為降低海水對(duì)入射光的衰減,采用532 nm 的Nd:YAG 脈沖激光器作為光源.包含Raman 和Brillouin 散射的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)分束鏡(BS1)分為兩束光,透射光經(jīng)過(guò)濾光片(IF)后,利用Princeton Instruments SP2500I 光譜儀探測(cè)Raman散射光譜信號(hào),獲得Raman 散射光譜與海水溫度和鹽度之間的關(guān)系.反射光經(jīng)過(guò)反射鏡(M1)反射后由分束鏡(BS2)分為兩束.經(jīng)過(guò)BS2的透射光通過(guò)分束鏡(BS3)再次分為兩束光,經(jīng)過(guò)BS3的透射光通過(guò)透鏡(L3)聚焦,利用光電倍增管1(PMT1)探測(cè)一路信號(hào);經(jīng)過(guò)BS3的反射光通過(guò)反射鏡(M2)反射,透鏡(L4)聚焦后,利用光子計(jì)數(shù)的光電倍增管2(PMT2)探測(cè)一路信號(hào);PMT1和PMT2交替接收受激Brillouin 散射回波信號(hào),再通過(guò)光子計(jì)數(shù)器(photon counter)單光子計(jì)數(shù)后輸入自相關(guān)系儀(autocorrelation instrument),獲得散射光強(qiáng)的時(shí)間自相關(guān)函數(shù).根據(jù)動(dòng)態(tài)光散射與受激Brillouin 散射譜寬的自相關(guān)性,獲得受激Brillouin散射斯托克斯分量譜寬.經(jīng)過(guò)BS2的反射光通過(guò)分束鏡(BS4)分為兩束光,經(jīng)過(guò)BS4的透射光通過(guò)反射鏡(M3)反射后形成與BS4反射光平行的光束,兩束光輸入具有兩個(gè)透射通道的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具(Fabry-Perot Etalons，F(xiàn)PE),實(shí)現(xiàn)雙邊緣探測(cè)受激Brillouin 散射譜.通過(guò)改變?cè)谕换迳螰PE 的兩個(gè)腔(Cavity1和Cavity2)的鍍膜厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)透射中心頻率的差,分別利用Cavity1和Cavity2的下降邊緣和上升邊緣檢測(cè)受激Brillouin散射譜,由于溫度和鹽度變化會(huì)造成Brillouin 光譜產(chǎn)生頻移,Cavity1和Cavity2探測(cè)獲得光強(qiáng)相反的變化,因此利用雙邊緣探測(cè)技術(shù)可以增加頻移的探測(cè)范圍,并且頻移探測(cè)靈敏度是單邊緣探測(cè)的兩倍.通過(guò)FPE 的光束經(jīng)過(guò)透鏡(L1)和透鏡(L2)聚焦,由PMT3和PMT4探測(cè)到能量信號(hào),由數(shù)據(jù)采集卡采集.

圖1 海洋溫鹽探測(cè)高光譜激光雷達(dá)分光系統(tǒng)光路原理圖Fig.1.Experimental setup for filter system of ocean temperature and salinity detection high-spectral-resolution-lidar.

4 結(jié)果與分析

4.1 基于Raman 散射的水體溫鹽反演

Raman 散射光譜法探測(cè)海水溫度或鹽度,是利用探測(cè)到的散射光譜建立與海水溫度或鹽度之間的函數(shù)關(guān)系.Haltrin 和Kattawar[22]將常溫下純水的伸縮振動(dòng)Raman 光譜分解為3250,3425,3530,3625 cm–1四個(gè)模再發(fā)射過(guò)程,并給出了對(duì)應(yīng)的Raman 散射光譜重分配函數(shù)為:

式中,d 是常數(shù),λE是激發(fā)光波長(zhǎng),λR是散射光波長(zhǎng),ai,Δvi和σi是振動(dòng)Raman 頻率重分配參數(shù),數(shù)值可參照文獻(xiàn)[22].

利用(6)式,計(jì)算獲得不同溫度下純水的Raman 散射光譜如圖2 所示.從圖2 可以看出,水分子的Raman 散射光譜范圍在3000—3800 cm–1.

圖2 不同溫度下純水的拉曼散射光譜Fig.2.Raman scattering spectra of pure water at different temperatures.

水分子有兩種存在形式,一種是獨(dú)立的單個(gè)水分子,另一種是多個(gè)水分子形成的簇團(tuán).單個(gè)水分子的Raman 散射頻率較高,多個(gè)水分子簇團(tuán)的Raman 散射頻率較低,當(dāng)水溫升高時(shí),水分子的熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),水中單分子的濃度增多,多分子簇團(tuán)的濃度減少,使得高波數(shù)Raman 散射光譜強(qiáng)度增大,低波數(shù)Raman 散射光譜強(qiáng)度減弱.依據(jù)光譜隨溫度變化的情況,可以建立溫度與Raman 散射光譜之間的關(guān)系.在散射光譜最大峰值位置,將光譜分為兩部分,低頻部分是包含氫鍵的振動(dòng)光譜(HB),高頻部分是非氫鍵的振動(dòng)光譜(NHB).分別對(duì)HB部分和NHB 部分進(jìn)行積分,并對(duì)積分結(jié)果取對(duì)數(shù),可以得到溫度和散射光譜低、高頻面積比的關(guān)系.

由于溶質(zhì)對(duì)水的振動(dòng)Raman 散射光譜影響機(jī)制較為復(fù)雜,可通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定量建立Raman 散射光譜與海水鹽度的函數(shù)關(guān)系.海水是一種化學(xué)成分復(fù)雜的混合溶液,主要含有的陰陽(yáng)離子有Cl1–,,Na1+,K1+,Mg2+和Ca2+等,因此本文以海水中所含的主要成分NaCl 和MgCl2兩種單介質(zhì)溶液,NaCl,MgCl2和Na2SO4三種介質(zhì)的混合溶液為實(shí)驗(yàn)樣品.在恒定溫度下,分別探測(cè)它們?cè)诓煌}度下的Raman 散射光譜.圖3(a)—圖3(c) 分別給出了NaCl 溶液、MgCl2溶液和NaCl,MgCl2和Na2SO4三種介質(zhì)的混合溶液的散射光譜.

圖3 不同鹽度溶液的Raman 散射光譜 (a) NaCl 溶液;(b) MgCl2 溶液;(c) NaCl-MgCl2-Na2SO4 三種介質(zhì)混合溶液Fig.3.Raman scattering spectra of different salinity solutions:(a) NaCl solution;(b) MgCl2 solution;(c) NaCl-MgCl2-Na2SO4 three media mixture solutions.

根據(jù)單介質(zhì)溶液和混合介質(zhì)溶液的Raman 散射光譜數(shù)據(jù),利用最小二乘原理,建立Raman 散射光譜與海水溫度和鹽度之間的函數(shù)關(guān)系,如下式:

式中,S 為海水鹽度,t 為海水溫度,n(S,t,λ)為海水折射率,系數(shù)a0=0.5097,a1=–0.002182,a2=4.356×10–7,a3=–3.098×10–8,a4=–0.003939,a5=–5.417×10–5,a7=4.356×10–7,a7=4.876 ×10–7,a8=3.736×10–6.

海水折射率n(S,t,λ)與海水溫度和鹽度相關(guān),它們之間的關(guān)系如下式[13]:

式中,ni為擬合系數(shù),數(shù)值可參照文獻(xiàn)[13].

根據(jù)海水所含成分占比,配制海水樣品.在恒定溫度下,利用實(shí)驗(yàn)探測(cè)不同鹽度下海水的Raman散射光譜,探測(cè)結(jié)果如圖4 所示.

圖4 海水的Raman 散射光譜Fig.4.Raman scattering spectrum of seawater.

根據(jù)海水Raman 散射光譜探測(cè)結(jié)果,計(jì)算出不同鹽度下散射光譜的低、高頻面積比的對(duì)數(shù)值.由于已知海水溫度,將散射光譜低、高頻面積比的對(duì)數(shù)值結(jié)果代入(7)式,可以反演獲得海水鹽度.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果與函數(shù)關(guān)系計(jì)算結(jié)果如圖5 所示,圖中點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)探測(cè)結(jié)果,直線為函數(shù)關(guān)系計(jì)算結(jié)果.

圖5 海水Raman 散射光譜數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.5.Data processing results of seawater Raman scattering spectrum.

4.2 激光雷達(dá)探測(cè)Brillouin 頻移

依據(jù)Brillouin 散射理論,圖6 給出了鹽度為35‰時(shí)Brillouin 的散射光譜.當(dāng)溫度從20 ℃變?yōu)?0 ℃,Brillouin 頻移變化量ΔvB=0.1142 GHz.因此在已知海水鹽度時(shí),可以通過(guò)激光雷達(dá)探測(cè)海水Brillouin 頻移,利用頻移探測(cè)結(jié)果,使用(5)式反演獲得海水溫度.

圖6 鹽度值為35‰時(shí)不同溫度下海水Brillouin 散射光譜Fig.6.Brillouin scattering spectra of seawater at different temperatures with salinity of 35 ‰.

激光雷達(dá)遙感方法探測(cè)海水Brillouin 頻移的方法是,利用邊緣探測(cè)技術(shù),探測(cè)得到Brillouin 回波信號(hào)的能量.回波信號(hào)能量受到Brillouin 頻移和譜寬兩個(gè)參量的影響.其中Brillouin 譜寬可以利用光子相關(guān)光譜技術(shù)探測(cè)到,因此可以利用探測(cè)的回波信號(hào)能量和Brillouin 譜寬計(jì)算獲得頻移.Brillouin 頻移計(jì)算公式如下:

式中,ΓB為Brillouin 光譜的譜寬,I 為探測(cè)能量信號(hào),系數(shù)a01=8.36826,a11=–12.98,a21=60.01,a31=–106.9,a41=65.78,a51=3.109,a12=–5.179,a22=3.643,a32=–1.296,a42=0.1778,a13=46.94,a23=–152.1,a33=205.8,a43=–94.84,a14=–26.59,a24=56.89,a34=–29.92,a25=7.278,a35=–7.101,a06=–0.7173.

利用(9)式獲得恒定鹽度下,不同溫度的Brillouin 散射譜寬和能量的結(jié)果如表1 所列.

表1 恒定鹽度下,不同溫度Brillouin 線寬、能量和頻移計(jì)算結(jié)果Table 1.Calculation results of Brillouin spectrum width,energy and frequency shift at different temperatures under constant salinity.

4.3 海水鹽度的聯(lián)合反演與誤差分析

依據(jù)(5)式和(7)式,Brillouin 頻移和Raman散射光譜均是與海水溫度及鹽度相關(guān)的二元函數(shù).因此聯(lián)立兩個(gè)函數(shù)關(guān)系可以得到海水鹽度與Brillouin 頻移和Raman 散射光譜低、高頻面積比的對(duì)數(shù)值ln(SHB/SNHB)之間的函數(shù)關(guān)系如下式:

式中,系數(shù)a01=221.928072,a02=–2069,a03=–1.8818×104,a04=1.97×104,a05=–8133,a12=–11.317912,a22=1.5443208,a32=–0.07678968,a03=1.973,a13=–18.5,a23=64.63,a33=–99.92,a43=57.76.

由于海水Brillouin 頻移和Raman 散射光譜的低、高頻面積比的對(duì)數(shù)值ln(SHB/SNHB)均是用于反演海水鹽度的參量,因此它們的誤差會(huì)影響海水鹽度反演精度.海水鹽度反演的誤差計(jì)算方法由下式給出:

海水鹽度S 關(guān)于Brillouin 頻移的偏導(dǎo)結(jié)果如(12)式所示,偏導(dǎo)結(jié)果表示頻移量誤差為1 MHz時(shí),會(huì)導(dǎo)致鹽度產(chǎn)生0.4639‰的誤差.

海水鹽度S 關(guān)于Raman 散射光譜的低、高頻面積比的對(duì)數(shù)值ln(SHB/SNHB)的偏導(dǎo)結(jié)果如(13)式所示,結(jié)果表明Raman 光譜低、高頻面積比的誤差為0.001時(shí),會(huì)導(dǎo)致鹽度產(chǎn)生0.6592‰的誤差.

海水鹽度反演的誤差計(jì)算,需要獲得Raman散射光譜低、高頻面積比的對(duì)數(shù)值ln(SHB/SNHB)和海水Brillouin頻移的誤差.其中Brillouin 頻移的誤差結(jié)果如圖7所示,擬合關(guān)系計(jì)算出的頻移與理論計(jì)算結(jié)果之間的誤差為±0.8 MHz.

圖7 Brillouin 頻移擬合關(guān)系vB (I,ΓB)與理論計(jì)算結(jié)果誤差Fig.7.Difference between fitted Brillouin frequency shift vB(I,ΓB) and theoretical value.

Raman 散射光譜低、高頻面積比的對(duì)數(shù)值ln(SHB/SNHB)的誤差計(jì)算結(jié)果如圖8 所示.擬合函數(shù)關(guān)系計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的誤差為±0.0018.最終根據(jù)Raman 散射與Brillouin 散射的誤差計(jì)算結(jié)果,利用(11)式計(jì)算海水鹽度反演的誤差為 ±0.47 ‰.

圖8 Raman 光譜低、高頻面積比的擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的誤差Fig.8.The error between the fitting results of low and high frequency area ratio of Raman spectra and the experimental results.

4.4 實(shí)驗(yàn)誤差分析

海水鹽度反演需要探測(cè)的參量包括:Raman散射光譜、Brillouin 散射譜寬和Brillouin 散射回波信號(hào)能量.由于海水溫度變化對(duì)探測(cè)結(jié)果有影響,因此樣品海水溫度控制精度為±0.2 ℃.控溫誤差對(duì)Raman 散射光譜的低、高頻面積比的對(duì)數(shù)值ln(SHB/SNHB)造成的影響如圖9 所示,溫度誤差對(duì)散射光譜低、高頻面積比的對(duì)數(shù)值ln(SHB/SNHB)造成的誤差小于0.001.

圖9 溫度誤差對(duì)Raman 散射光譜低、高頻面積比的對(duì)數(shù)值ln(SHB/SNHB)造成的影響 (a) 恒定鹽度,不同溫度下對(duì)數(shù)面積比理論值與擬合值;(b) 溫度誤差導(dǎo)致對(duì)數(shù)面積的誤差Fig.9.Effect of temperature error on the logarithmic value of the low and high frequency area ratio of Raman scattering spectra:(a) theoretical value and fitting value of log area ratio under constant salinity and different temperatures;(b) error of log area caused by temperature error.

實(shí)驗(yàn)中溫度誤差對(duì)Brillouin 散射探測(cè)的影響結(jié)果如圖10 所示,其中圖10(a)和圖10(b)表明在溫度誤差范圍內(nèi),對(duì)Brillouin 譜寬探測(cè)結(jié)果造成的誤差小于5 MHz;圖10(c)和圖10(d)表明在溫度誤差范圍內(nèi),對(duì)Brillouin 散射探測(cè)能量造成的誤差小于0.0016.

圖10 溫度誤差 對(duì)Brillouin 散射探測(cè)造成的影響 (a)恒定鹽度,不同溫度下譜寬理論值與擬合值;(b) 溫度誤差導(dǎo)致譜寬探測(cè)誤差;(c) 恒定鹽度,不同溫度下探測(cè)能量理論值與擬合值;(d) 溫度誤差導(dǎo)致能量探測(cè)誤差Fig.10.Effect of temperature error on Brillouin scattering detection:(a) Theoretical and fitting values of spectrum width at different temperatures under constant salinity;(b)temperature error leads to spectrum width detection error;(c) theoretical and fitting values of detection energy at different temperatures under constant salinity;(d) temperature error leads to energy detection error.

溫度誤差對(duì)Raman 散射光譜、Brillouin 散射譜寬和能量探測(cè)造成的影響,會(huì)使得海水鹽度反演產(chǎn)生誤差.其中Raman 散射光譜探測(cè)結(jié)果得到的低、高頻面積比的對(duì)數(shù)值ln(SHB/SNHB)的誤差,對(duì)鹽度反演結(jié)果的影響如圖11 所示,在低、高頻面積比的對(duì)數(shù)值的誤差范圍內(nèi),海水鹽度反演誤差小于0.91‰.

圖11 Raman 光譜探測(cè)誤差對(duì)鹽度探測(cè)結(jié)果的影響 (a)鹽度反演結(jié)果理論值與擬合值;(b) 鹽度反演誤差結(jié)果Fig.11.Effect of Raman spectral detection errors for salinity detection results:(a) theoretical value and fitting value of salinity inversion results;(b) salinity inversion error results.

Brillouin 散射探測(cè)的誤差對(duì)海水鹽度的反演結(jié)果造成的影響如圖12 所示.其中圖12(a)和圖12(b)給出了Brillouin 譜寬探測(cè)誤差對(duì)鹽度反演的影響,Brillouin 譜寬的誤差范圍內(nèi),海水鹽度的反演誤差小于0.82 ‰;圖12(c)和圖12(d)給出了Brillouin 探測(cè)能量誤差對(duì)鹽度反演結(jié)果的影響,在探測(cè)能量誤差范圍內(nèi),海水鹽度反演誤差小于1.34‰.

圖12 Brillouin 散射探測(cè)結(jié)果對(duì)鹽度反演的影響 (a) 譜寬改變時(shí),鹽度反演結(jié)果理論值與擬合值;(b) 譜寬誤差導(dǎo)致鹽度反演結(jié)果誤差;(c) 能量改變時(shí),鹽度反演結(jié)果理論值與擬合值;(d) 能量誤差導(dǎo)致鹽度反演結(jié)果誤差Fig.12.Influence of Brillouin scattering detection results on salinity inversion:(a) Theoretical value and fitting value of salinity inversion results when the spectral width changes;(b) error of spectral width leads to the error of salinity inversion results;(c) theoretical value and fitting value of salinity inversion results when the energy changes;(d) error of energy leads to the error of salinity inversion results.

5 結(jié)論

針對(duì)海水鹽度的探測(cè),本文提出了基于Raman-Brillouin 散射方法精確反演海水鹽度.通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法探測(cè)不同介質(zhì)以及海水的Raman 散射光譜,由于光譜受溫度和鹽度變化的影響,建立了Raman散射光譜與海水溫度和鹽度的二元函數(shù)關(guān)系.結(jié)合海水溫度、鹽度與Brillouin 頻移之間的關(guān)系,建立基于Raman-Brillouin 散射的海水鹽度求解模型.本方法的提出,為探究不同環(huán)境溫度下精確探測(cè)海水鹽度提供了解決方案.該研究為改善海洋環(huán)境、海洋災(zāi)害預(yù)警和海洋氣象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度等方面提供了可靠的數(shù)據(jù)支持,具有重要的研究?jī)r(jià)值和顯著的社會(huì)效益.