基于有限元的水中受激布里渊散射数值模拟

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采用调频探测的受激布里渊散射(SBS)水下探测技术,可直接探测到入射光与水相互作用产生的后向散射光信号,而分析此散射信号不仅可以识别目标的有无,还可以探测到水下物体所处深度等信息。目前,受激布里渊散射方法已成为水下目标探测技术中的重要补充,所以提高SBS探测系统的性能意义重大。本论文通过对单池聚焦结构的SBS物理模型进行数值模拟,探讨泵浦光参数、介质参数和聚焦参数对SBS特性的影响规律,如能量反射率、相位共轭保真度、稳态增益系数等,进而选择合适的参数来达到提高SBS探测系统性能的目的。本文从麦克斯韦方程组与纳维-斯托克斯方程出发,推导非平面波、横向衍射和介质吸收的三维瞬态SBS耦合波方程组。根据单池聚焦结构的SBS物理模型和实验室条件,对SBS耦合波方程作稳态近似,并将高斯光束的表达式从三维简化为二维,建立了对应的二维稳态SBS数学模型。采用有限元法对此SBS数学模型进行数值求解,进而数值模拟泵浦光参数(单脉冲能量、脉宽、波长等)、介质参数(声子寿命、相互作用长度)、聚焦参数(透镜焦距)对SBS特性的影响,获得了能量反射率、相位共轭保真度、稳态增益系数随上述系统参数变化的规律。数值模拟表明,增大泵浦光的单脉冲能量可以提高SBS的能量反射率、相位共轭保真度;泵浦光的带宽对SBS有抑制作用,泵浦光越大,SBS稳态增益系数越小;在不超过SBS有效作用长度的情况下,相互作用长度越长SBS能量反射率、相位共轭保真度越高;SBS的能量反射率、最大稳态增益与声子寿命成正比;存在一个最佳焦距使SBS的能量反射率最高,低于或高于这一最佳焦距时SBS能量反射率都将降低。
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