Un nuevo lanzamiento de Avances optoelectrónicos; DOI 10.29026/oea.2023.220016 analiza la tecnología de detección remota lidar oceánica basada en el espectro de dispersión de Brillouin.

Un nuevo lanzamiento de Avances optoelectrónicos; DOI 10.29026/oea.2023.220016 analiza la tecnología de detección remota lidar oceánica basada en el espectro de dispersión de Brillouin.

El seguimiento de la información ambiental marina es de gran importancia para el desarrollo de las ciencias marinas, la protección de los derechos e intereses marinos, el desarrollo de los recursos marinos y el establecimiento de la industria marina. La teledetección láser se ha convertido en uno de los medios más importantes para monitorear el medio ambiente marino debido a sus ventajas de penetración en el agua, energía poderosa y alta resolución de perfil vertical.

La teledetección con láser oceánico mide principalmente la información ambiental mediante el análisis de la energía del eco retrodispersado o la información espectral. En la dimensión de energía, el eco retrodispersado contiene una gran cantidad de señales dispersas y ruido, y la relación señal-ruido del eco es baja, lo que limita la precisión de la medición. Además, se limita la información característica de la energía del eco, que solo se utiliza para la inversión de un solo parámetro. Si bien la dispersión diferente tiene sus propias características de distribución espectral en la dimensión espectral, y el espectro no se contamina fácilmente con el ruido, esto da como resultado una alta relación señal-ruido. Al mismo tiempo, el espectro contiene información rica y la medición de múltiples elementos ambientales se puede realizar a través de una variedad de características espectrales. Por lo tanto, LIDAR con detección espectral es una dirección importante para el desarrollo de la vigilancia marina en el futuro.

En comparación con otros espectros de dispersión, el espectro de dispersión de Brillouin se puede distinguir de forma independiente y el espectro es estable y rico en información. La inversión simultánea de la temperatura y la salinidad del agua de mar se puede realizar a través del espectro de Brillouin. Además, la sección transversal de dispersión de Brillouin es grande, lo que permite la detección de Brillouin con una fuerte señal de dispersión y profundidad de detección. Por lo tanto, el lidar basado en las mediciones del espectro de Brillouin tiene un gran potencial en la teledetección multiparamétrica marina.

En la actualidad, Brillouin Lidar ha demostrado plenamente su capacidad para medir la temperatura del agua de mar y el perfil vertical de salinidad con alta precisión a través de teoría, simulación y experimentos de laboratorio. Sin embargo, la tecnología de medición espectral de Brillouin existente tiene los requisitos de aplicación de integridad de detección espectral en tiempo real y medición rápida y continua en la aplicación de medición síncrona en tiempo real de la temperatura del subsuelo y el perfil vertical de la salinidad del agua de mar. Por lo tanto, romper el cuello de botella técnico de la medición continua y en tiempo real del espectro de dispersión completo de Brillouin es un tema de investigación importante para avanzar en la aplicación de lidar de Brillouin.

De acuerdo con los requisitos de medición reales del lidar de Brillouin, el grupo de investigación del Prof. Kun Liang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, junto con el Instituto de Investigación Electromecánica Espacial de Beijing y la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica, llevaron a cabo el trabajo de investigación sobre utilizando el espectro de Brillouin para realizar una medición de perfil de alta precisión de temperatura y salinidad bajo el agua.

El equipo propuso el método de medición del espectro de Brillouin de doble filo en combinación con PMT. Basado en la idea de reconstrucción dispersa, las energías de dos o más espectros locales de banda estrecha se miden utilizando filtros de múltiples bordes. Luego, con la ayuda de la función de espectro de dispersión de Brillouin, se obtiene el espectro de dispersión de Brillouin de ultra alta resolución utilizando las energías. Finalmente, los parámetros espectralmente característicos del espectro de dispersión se extraen y utilizan para la inversión síncrona de la temperatura y la salinidad del agua de mar.

La técnica de medición utiliza un filtro de corte multicanal de banda ancha para garantizar que cada canal pueda transportar una gran cantidad de energía espectral, lo que teóricamente garantiza la capacidad batimétrica del sistema. El espectro de superresolución completo se reconstruye de acuerdo con el filtro de banda estrecha disperso de baja resolución y se realiza la medición de alta precisión del espectro de Brillouin. Por lo tanto, esta técnica tiene en cuenta la profundidad de detección y la precisión de medición del sistema. Además, el módulo de conversión fotoeléctrica con alta sensibilidad y tiempo de respuesta corto y el módulo de adquisición de datos con alta tasa de muestreo se utilizan en el sistema para garantizar un perfil rápido y continuo de la temperatura y la salinidad del agua de mar.

Usando el principio de la tecnología de detección de Brillouin, el equipo desarrolló un sistema de prueba lidar. Este sistema utiliza un diseño de transceptor coaxial y el láser cae a través del sistema del telescopio al agua para crear una señal dispersa de Brillouin. La señal retrodispersada recibida del sistema del telescopio pasa primero a través de la piscina de yodo para filtrar el ruido de fondo de la dispersión de Rayleigh y la dispersión del medidor. Luego, la luz dispersada restante de Brillouin se divide en dos partes. PMT registra una parte como señal de referencia (señal IGRAMO), y la otra parte después de que el filtro de doble borde que consta de dos etalones de Fabry-Perot sea recogido por dos PMT (señales I1 y yo2). Finalmente, basado en las dos energías de borde relativas obtenidas,1 / YOGRAMO y yo2 / YOGRAMOlos espectros de dispersión de Brillouin correspondientes se obtienen con la idea de reconstrucción escasa.

Después de obtener el espectro utilizando el sistema anterior con las operaciones de análisis de características de datos, corrección de datos de extracción de características espectrales y modelo de inversión de temperatura y salinidad, el sistema realiza la medición con una precisión de temperatura de 0,5 ℃ y una precisión de salinidad de 1psu, que tiene ha alcanzado el nivel más alto del mundo. En general, los resultados de la medición muestran el potencial del método de detección del espectro de Brillouin en la medición de elementos ambientales en el agua de mar y en la investigación oceanográfica, y brindan apoyo teórico y técnico para promover la aplicación práctica de lidar basado en la dispersión de Brillouin.

Referencia del artículo:Wang YQ, Zhang JH, Zheng YC, Xu YR, Xu JQ et al. Espectro de dispersión de Brillouin para detección de líquidos y aplicaciones oceanográficas. adv opto-electrón6, 220016 (2023). doi: 10.29026/oea.2023.220016

Palabras clave: espectro de dispersión de Brillouin / técnica de doble filo / temperatura / salinidad / oceanografía

El equipo del profesor Kun Liang, Escuela de Información y Comunicación Electrónicas, Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, se ha centrado en la investigación de aplicaciones de detección remota LIDAR y dispersión de Rayleigh-Brillouin desde 2003. En los últimos años, basándose en plataformas como la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong y el Centro Nacional de Investigación Fotoeléctrica de Wuhan, el grupo de investigación ha logrado logros de investigación influyentes en la detección remota de la atmósfera y el agua de mar con lidar de dispersión de Rayleigh Brillouin. Actualmente, el laboratorio del equipo tiene dos conjuntos de sistemas lidar atmosféricos que miden el viento, la temperatura y la presión, y dos conjuntos de sistemas lidar de agua de mar que miden la temperatura, la salinidad y la detección de objetivos. El profesor Kun Liang ha dirigido sucesivamente muchos proyectos nacionales como la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y el programa Nacional 863. Ganó 2 primeros premios por avances científicos y tecnológicos en la provincia de Hubei y solicitó 17 patentes de invención. Hasta la fecha se han publicado más de 40 artículos, de los cuales más de 30 están incluidos por SCI.

El grupo de investigación Yun Su del Instituto de Investigación Electromecánica Espacial de Beijing está subordinado al laboratorio central profesional de tecnología de adquisición de información láser espacial de la Academia China de Tecnología Espacial. Se dedican principalmente a la investigación en teledetección espacial óptica, teledetección marina, diseño de sistemas ópticos en el espacio, óptica informática, etc. El investigador Su Yun ha dirigido muchos proyectos de investigación nacionales, como el programa 863, y ha completado el diseño óptico del sistema doméstico de carga de teledetección de óptica espacial multitipo. Ha ganado 2 premios provinciales y ministeriales, publicado más de 30 artículos de investigación y más de 80 patentes.

El equipo de investigación, dirigido por el profesor Hai-Feng Lü de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica, se dedica principalmente a explorar la física de la materia condensada y el mecanismo de interacción láser-materia. En los últimos años ha estado a cargo e involucrado en importantes proyectos estatales, proyectos de fundación científica y proyectos de apertura de laboratorios clave nacionales. Las principales áreas de investigación del equipo incluyen mecanismos de daño por radiación láser y pretratamiento, análisis de espectro de dispersión láser Brillouin, tecnología de transmisión y generación de campo electromagnético de vórtice intrínseco de alta potencia, etc. El grupo de investigación ha publicado más de 50 artículos en revistas internacionales revisadas por pares. como Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. B, aplicación. física letón, opt. let., apl. Surf. Ciencias.

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Avances optoelectrónicos (OEA) es una revista SCI mensual influyente, de acceso abierto y revisada por pares con un factor de impacto de 8933 (Journal Citation Reports for IF2021). Desde su creación en marzo de 2018, la OEA se ha indexado a lo largo del tiempo en las bases de datos SCI, EI, DOAJ, Scopus, CA e ICI y ha ampliado su consejo editorial a 36 miembros de 17 países y regiones (promedio de índice h 49).

La revista es publicada por el Instituto de Óptica y Electrónica de la Academia de Ciencias de China y tiene como objetivo proporcionar una plataforma para que investigadores, académicos, profesionales, profesionales y estudiantes impartan e intercambien conocimientos en forma de artículos de investigación teóricos y empíricos de alta calidad. en los temas de óptica, fotónica y optoelectrónica.

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