海洋湍流中光波Rytov方差及光波和自适应光学成像系统特征参量研究

发布时间：2020-10-29 16:44

　　 随着水下光通信、传感和激光雷达等应用的兴起,研究水下环境中光传输和光学成像具有重要意义。已有实验表明,海洋湍流是影响水下光学成像质量的主要因素之一。Strehl比、Greenwood时间常数和等晕角等是自适应光学成像系统特征参量,但海洋湍流中这些特征参量的研究还未见报道。光波空间相干长度和Rytov方差是光波湍流介质中传输理论研究的重要参数,而目前这两个参数在新型Elamassie海洋湍流功率谱模型下的结果还未涉及。此外,激光雷达系统需考虑光波在海洋湍流中的双程传输,而之前的研究都仅局限于光波单程海洋湍流中传输。本论文针对以上问题开展了研究,具体工作如下:1.研究了海洋湍流中自适应光学成像系统特征参量。推得了海洋湍流中短曝光成像Strehl比的近似解析表达式,并验证:除了在近场D_G/r_0=1附近外(r_0和D_G分别为海洋湍流中的可见参数和光学系统的光瞳直径),该近似公式均可保证足够的精度。此外,还得到了海洋湍流中Greenwood时间常数和等晕角的表达式。研究发现:当海水中盐度起伏占主导地位,海水湍流温度方差耗散率增大或湍流动能耗散率减小时,这三个特征参量值均减小。2.研究了海洋湍流中光波特征参量和高斯光束短期光束扩展。采用Elamassie海洋湍流功率谱模型(EPSM),推导出了各向同性且非均匀海水介质中光波空间相干长度、波结构函数和Fried参数的解析式,并验正了所得解析式的正确性。研究表明:当海水中温度起伏占主导地位时,之前提出的Nikishov海洋湍流功率谱模型(NPSM)把湍流强度低估了;当盐度起伏占主导地位时,NPSM把湍流强度高估了。基于EPSM,还得到了海洋湍流中短期光束扩展的半解析公式,并校验了其正确性。此外,海水稳定分层与否,短期光束扩展差异很大。3.研究了海洋湍流中光波Rytov方差和激光雷达系统性能指标。利用EPSM推导了海洋湍流中球面波Rytov方差β_0~2的解析表达式,并验证了其正确性。研究了水下激光雷达系统的性能指标,如单基(MS)和双基光学系统(BS)的双程传输闪烁指数σ_I~2、孔径平均因子A、平均信噪比〈SNR〉和平均比特出错概率〈BER〉。另一方面,还研究了分别采用EPSM和NPSM的β_0~2,σ_I~2和〈SNR〉之间的差异。结果表明,在弱、中海洋湍流中,当温度起伏占主要作用时,NPSM把σ_I~2低估了;而当盐度起伏占主要作用时,NPSM把σ_I~2NPSM高估了;然而,在强湍流中则是相反的。此外,采用EPSM与NPSM的〈SNR〉的相对误差变化和σ_I~2的不同,MS的σ_I~2、〈SNR〉的相对误差值均大于BS,弱、中湍流中的σ_I~2、〈SNR〉的相对误差值均大于强湍流中的值。
【学位单位】：四川师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P756.6
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 引言
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 自适应光学成像系统特征参量
        1.2.2 光波特征参量和短期光束扩展
        1.2.3 Rytov方差和激光雷达系统性能指标
    1.3 研究内容及各章节安排
2 理论基础
    2.1 海水介质折射率起伏空间功率谱模型
    2.2 海洋湍流中光波特征参量
        2.2.1 光波结构函数和空间相干长度
        2.2.2 可见参数
    2.3 海洋湍流中光学系统成像特征参量
        2.3.1 Strehl比
        2.3.2 信噪比SNR
        2.3.3 比特出错概率BER
3 海洋湍流中自适应光学成像系统特征参量研究
    3.1 海洋湍流中的短曝光Strehl比
    3.2 海洋湍流中的Greenwood时间常数
    3.3 海洋湍流中的等晕角
    3.4 本章小结
4 海洋湍流中光波特征参量和短期光束扩展研究
    4.1 海洋湍流中的光波结构函数和空间相干长度
    4.2 海洋湍流中的Fried参数
    4.3 海洋湍流中的短期光束扩展
    4.4 本章小结
5 海洋湍流中球面波Rytov方差和激光雷达系统性能指标研究
    5.1 海洋湍流中的球面波Rytov方差
    5.2 海洋湍流中MS和 BS的双程传输闪烁指数
    5.3 海洋湍流中MS和 BS的孔径平均因子
    5.4 海洋湍流中MS和 BS的平均信噪比和平均比特出错概率
    5.5 本章小结
6 主要结论及创新点
    6.1 主要结论
    6.2 创新点
参考文献
致谢
在校期间的科研成果

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本文编号：2861177