海洋湍流中慧差光束传输特性及扩展物体漫反射光成像的研究

发布时间：2020-04-09 23:52

【摘要】：随着水下激光技术应用的发展,研究激光在海洋中的传输特性以及成像问题具有重要意义。激光在产生和传输过程中,会产生像差。像差会降低激光光束质量,常见像差有球差、慧差和像散等等。相较于球差和像散对于光束传输特性影响的研究,慧差对光束影响的研究非常少。因此,研究海洋湍流中慧差光束传输特性(如光强闪烁、束宽、能量Strehl比和?参数等)具有非常重要的意义。另一方面,激光照明目标产生漫反射回光成像是图像传输非常关注的问题之一,深入研究海洋湍流对漫反射光成像的影响显得尤为重要。本学位论文主要采用自行编制的数值模拟仿真程序展开了以下三个方面的研究工作:1、研究慧差光束通过海洋湍流的传输特性。本论文将采用二阶矩束宽、能量Strehl比、?参数作为研究慧差光束通过海洋湍流传输特性的评价参数。研究发现:海洋湍流将会导致光束的“慧形”分布消失。另外,慧差光束的质心位置与其最大光强位置一般不重合。以“光束质心位置”为中心计算的束宽值比以“最大光强位置”为中心计算的束宽值要小,但其受海洋湍流的影响更大。值得指出的是:以能量Strehl比作为光束质量评价参数时,慧差越厉害,光束能量集中度受海洋湍流的影响越小。然而,以β参数作为评价参数,当慧差系数取某特定值时,光束能量集中度受海洋湍流的影响最大,这种情况在实际应用中应该避免。能量Strehl比与β参数的物理含义不同,即按照给定桶半径内所含能量定义的能量集中度(能量Strehl比)与给定桶中功率百分比定义的能量集中度(β参数)受海洋湍流的影响是不同的,这在实际应用中值得特别关注。2、研究慧差对光束通过海洋湍流传输光强孔径闪烁的影响。研究发现:在弱海洋湍流中,慧差可以有效抑制光强孔径闪烁,并且光强孔径闪烁随慧差系数的增大而减小。然而,在中、强海洋湍流中,慧差对光强孔径闪烁的影响可以忽略,并且强海洋湍流中光强孔径闪烁还会出现饱和现象。此外,研究还发现:在海洋湍流中,盐度起伏占主导地位时引起的光强孔径闪烁比温度起伏占主导地位时引起的光强孔径闪烁要强。值得指出的是:对于慧差高斯光束,光强孔径闪烁与点闪烁明显不同,在实际应用中孔径闪烁较点闪烁更适合用于描述光强闪烁。3、研究海洋湍流中扩展物体漫反射光成像。采用空域滤波方法以满足近轴近似光传输波动方程,并且利用Nikishov提出的海洋湍流功率谱产生随机相位屏,自行编制扩展物体漫反射光在海洋湍流中成像的仿真程序。利用该程序研究了海洋湍流中扩展物体漫反射光成像质量与海洋湍流参数和接收孔径尺寸的关系。研究表明:本论文提出的利用空域滤波数值模拟海洋湍流中扩展物体漫反射光成像的方法是可行和正确的,从而为研究海洋湍流中漫反射光成像研究提供了一种方法。此外,随着海洋湍流功率谱中温度与盐度起伏贡献比率、海水温度方差耗散率的增大,以及单位质量海水动能耗散率的减小,海洋湍流可见参数将会减小,成像质量变差。
【图文】：

慧差,高斯光束,光束,非对称性

=0时 2.2.1.2) 式可以简化为基础的高斯光束的场分布表达式。如图2.2.1.1即本文研究的慧差高斯光束光强分布图（C ≠0，z≠0）。图 2.2.1.1 慧差高斯光束由图像可以看出，慧差高斯光束是一种非对称性光束，其最大光强位置和光束质心位置不重合（除 z=0平面之外）。由(2.2.1.2)式可知，在 z=0平面慧差高斯光束的光强分布有： 2 2 20I E E exp 2x y / w , (2.2.1.3)式 2.2.1.3)可以看出在 z=0平面处慧差高斯光束的光强分布和基础的高斯光束的光强分布相同，因此在 z=0平面还不能体现慧差的影响。但是，慧差对光束的传输会产生影响，这一点将在后面的章节中讨论。2.2.2 扩展物体漫反射光的描述激光照射到扩展物体表面会产生漫反射，由此产生的漫反射光的光场设为： ( x

漫反射,物体

式中 ( x , y)表示入射光场，，本文采用高斯光束作为入射光束。 H ( x , y )是表示扩展物体的函数， H ( x , y ) T ( x , y ) exp[i ( x , y)]，其中 T 表示漫反射物体的轮廓及其反射率， ( x , y)表示由于物体漫反射引起的相位调制。本文采用如图2.2.2.1所示的对称性扩展物体对高斯光束的反射光的传输及成像问题。该扩展漫反射体是由一系列尺寸 0.23mm 0.23mm的小方格组成，由中心向外圆的半径依次分别为0.82mm、1.64mm、3.05mm 和4.69mm。图 2.2.2.1 漫反射物体2.3 激光在海洋湍流中传输及成像的主要研究方法目前，激光在随机介质中的传输及成像的处理方法非常多，但每种方法都有其优缺点。本文主要采用数值模拟法对激光在海洋湍流中的传输特性和成像进行研究和讨论。此外，由于漫反射光的发散角非常大，本文将采用空域滤波的方法对其进行滤波处理。下面将对以上两种研究方法进行说明。2.3.1 数值模拟方法光波在随机介质中传输，在傍轴近似下，由麦克斯韦波动方程可以得到微分方程[68]：2 2 22i 2 ( 1) 0Ek E k n Ex , (2.3.1.1)其中 k 表示光波的波数，其值为2 / ，是光波波长；n 是折射率；E 是光场；2 2 2 2 2/ x /y 是拉普拉斯算子。求解方程(2.3.1.1)一般采用多层相位屏傅里叶变换的方法。该方法是将光束的传输路径 z 分成 m 段，在每一段传输距离 z z /m过程中近似将海洋湍流对光束波前相位产生的扰动用一个薄相位屏表示。因此
【学位授予单位】：四川师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O435.1;P731.26

【参考文献】