海洋湍流对关联成像分辨率的影响

发布时间：2020-08-29 08:12

　　关联成像,又叫鬼成像或符合成像,是利用光场的二阶或高阶关联特性实现的一门成像技术,近年来引起国内外研究者们的广泛兴趣。与传统的成像技术相比,关联成像最为关注的研究特性之一为本身的非局域特性,光源发出具有空间关联的两束光,分别进入两个不同的光学路径,其中包含有目标物体的这一路径叫做物臂,光束通过物体后的透射光或反射光被没有空间分辨能力的桶探测器收集并记录其光场信息;另一路径不包含物体信息,叫做参考臂,光在自由空间传播一段距离后直接被有空间分辨能力的探测器收集记录光场信息,最后将两个探测器收集到的信号进行关联计算即可获得关于物体的信息。关联成像中经过物体调制后的光场由桶探测器接收,只记录强度信息而不进行空间分辨,因此具有一定的抗干扰特性,并且适用于远距离目标成像探测。近年来,人们研究了大气湍流对关联成像的影响,分析了不同大气湍流及成像方案下的成像特性。海洋湍流作为另一种常见的扰动形式,同大气湍流一样,对光的传输特性有一定的影响,因此它对于关联成像在远距离传输以及通信方面的影响都具有重要研究价值。本文着眼于关联成像的实际应用,研究了海洋湍流对关联成像分辨率的影响以及部分相干光在在海洋湍流中的成像性质,主要分析了海洋湍流中各个参数(单位质量液体中的湍流动能耗散率,温度和盐度波动的相对强度,均方温度耗散率)对其分辨率以及成像质量的影响。本文主要内容分布如下:第一章首先介绍了关联成像的基本概念,随后对关联成像的发展历程和研究现状进行总结,最后,将传统的光学成像和关联成像进行对比研究,主要说明了它们在成像方式和原理上的区别,并指出关联成像所具备的优势。第二章主要介绍了进行关联成像的几种常见的光源、基本概念和各自具备的性质,随后介绍了几种常见的热光源进行关联成像实验的基本原理以及它们的特点。第三章主要研究了海洋湍流对无透镜关联成像分辨率的影响。根据广义的惠更斯-菲涅尔积分公式以及光场的相干理论,得到了在海洋湍流下的完全非相干光关联成像的二阶强度关联函数及成像分辨率公式。结果表明,成像分辨率与光源尺寸、球面波经过海洋湍流传输后的相干长度有关。在近距离情况下,分辨率的大小与传输距离呈线性关系。然而,随着传输距离增加,海洋湍流对关联成像的影响增加,分辨率与距离呈高次的非线性关系。同时,海洋湍流参数,如湍流动能耗散率、温度和盐度波动相对强度、均方温度耗散率对分辨率的影响也很明显。相关结论对关联成像在水下探测和遥感中的应用具有一定指导意义。第四章主要研究了海洋湍流对部分相干光计算关联成像的影响,基于广义的惠更斯-菲涅尔积分公式和空间光场的相干理论,分析了海洋湍流各个参数对关联成像分辨率的影响,同时也研究了不同光源尺寸和横向相干长度情况下的成像特性。此外,我们发现物体与探测器之间的海洋湍流对于分辨率以及成像质量并不造成影响。因此,相关结论也适用于反射式关联成像。第五章是对全文的总结与展望。
【学位单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP391.41;P731.26
【部分图文】：

成像,绪论,光学,重要领域

第一章绪论第一章绪论逡逑光学在物理学中是一门较为久远的学科，从诞生至今它一直与我们的生活分。光学成像作为光学中的重要领域至今已经被广泛应用到实际当中，如的投影仪成像，军事当中的热成像，医学中的显微镜成像等等。随着光学不断成熟和突破，一种不同于传统的成像技术一关联成像开始逐渐走入我野。逡逑关联成像基本概念介绍逡逑

经典,光源,基本原理,实验结果

进行关联成像的实验，以此论证量子纠缠并不是唯一可行的条件。２００２年，逡逑Ｂｅｎｎｉｎｋ通过小角度进行转动反射镜来制成热光源来进行关联成像［９］，实验原理如逡逑图１－２所示：氦氖激光器发射出一束激光经斩波器的作用使其产生一系列的脉冲逡逑光，传播一段距离后利用反射镜改变光的传播方向，然后经无偏振的５０：５０分束逡逑器将光分为两个不同的传输路径，在包含有待测物体的这一路径上（即物臂），光逡逑束传播一段距离后通过物体后被没有空间分辨能力的桶探测器收集记录光场信逡逑息；在不包含有目标物体的这一传输路径上（即参考臂），光在自由空间中传播一逡逑段距离后直接被有空间分辨能力的图像控制器（ＣＣＤ）接收探测并记录其光场强逡逑度信息，最后将两探测器收集记录的信息输入到探测系统进行关联运算即可获得逡逑待测物体的成像信息（如图１－２字母ＵＲ所示）。实验结果表明，无论是单独地使逡逑用物臂这一传输路径中的桶探测器或者是参考臂这一传输路径中的ＣＣＤ进行探逡逑测最终都将无法得到物体的像，只有将两个探测器测量的结果进行关联测量才能逡逑获得物体的成像信息。但是Ｂａｓａｎｏ等人认为，该实验并不能说明经典光源关联成逡逑像的本质［１（）］

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陕西师范大学硕士学位论文逡逑验装置的基本原理结构示意图，经理论计算后对经典光源和纠缠光源关联成像并逡逑进行数值模拟结果后得到如图１－３右图所示，通过观察右图中的结果分析可以得逡逑出结论：对于这两种光源来说在适当的条件下都可以进行关联成像的实验，不过逡逑对于经典光源和纠缠光源二者来说，进行关联成像的本质原因为它们都具备光场逡逑的空间关联特性。逡逑乃逦ａ逦Ｅｎｔａｎｇｌｅｄ逡逑４５０－ｊ逦°邋逦Ｔｈｅｒｍａｌ逡逑４（Ｘ＞－逦ｃ逦Ａｎａｌｙｉｉｃａｌ邋（＜ｉ．ｕ．）逡逑１邋Ｉ逡逑‘５逦“ｃｏｈ邋５逦Ｋ，逡逑图１－３左图为关联成像基本原理结构示意图，右图为对双缝经理论计算后并进行数值模拟的成逡逑像示意图。右图中浅蓝实线为利用纠缠光源得到的关联成像结果，黑实线是利用经典热光源逡逑得到的关联成像结果，蓝色虚线为双缝物体。引自文献｜１１］。逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｔｈｅ邋ｌｅｆｔ邋ｐｉｃｔｕｒｅ邋ｓｈｏｗｓ邋ｔｈｅ邋ｂａｓｉｃ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ邋ｉｍａｇｉｎｇ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｒｉｇｈｔ逡逑ｐｉｃｔｕｒｅ邋ｓｈｏｗｓ邋ｔｈｅ邋ｉｍａｇｉｎｇ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｄｏｕｂｌｅ－ｓｌｉｔ邋ｔｈｅｏｒｙ邋ａｎｄ邋ｎｕｍｅｒｉｃａｌ邋ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．邋Ｔｈｅ邋ｗａｔｈｅｔ逡逑ｓｏｌｉｄ邋ｌｉｎｅ邋ｉｓ邋ｔｈｅ邋ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ邋ｉｍａｇｉｎｇ邋ｒｅｓｕｌｔ邋ｏｂｔａｉｎｅｄ邋ｂｙ邋ｕｓｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｅｎｔａｎｇｌｅｄ邋ｌｉｇｈｔ邋ｓｏｕｒｃｅ

【参考文献】