海水中涡旋光束的湍流效应分析
发布时间：2021-01-07 03:55
随着陆地资源不断地枯竭,人类对于海洋资源探索以及海洋军事研究工作的日益频繁。构建远距离、大数据、高速、保密的海洋通信与传感网络是全世界急待解决的问题。与海洋电磁波通信和声波通信对比,海洋无线光通信具有频带宽、信息容量大、数据传输速率快、延迟低、保密性好、能耗低等优点。特别当以携带轨道角动量涡旋光束作为信号载体的海洋无线光通信系统具有更高的信道容量、频谱效率和保密性。此外,在不产生热晕的前提下,采用高功率超短脉冲涡旋光波作为信号载波能够缓解海水信道中的消光损失。然而,海水湍流也能够引起信号光波的强度起伏、束径扩展和束心抖动等效应,从而降低海洋无线光通信系统的通信质量。因此,研究连续型或脉冲型涡旋光波在海水湍流中的传输特性,是优化海洋无线光通信系统性能的一项必要的基础性研究工作。为此,本论文针对上述问题进行了如下的创新研究工作:1.新型海水湍流折射率功率谱的建立。通过引入尺度有限的海水湍流外尺度因子,我们建立了适用于在不稳定分层情况下从低空间波数区到高空间波数区的新海水湍流折射率功率谱。新谱模拟结果也被证明与实验数据更加一致。新谱不仅消除了稳定分层假设的误差,而且解决了在零空间波数区域出现...
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
海洋无线通信网络[1]
学博士学位论文12的结构形状和海水湍流产生的方式都能改变临界情况下的数值大校如果海水雷诺数Re小于Rec则为海水层流。而当海水的雷诺数Re大于Rec这临界点，则海水此时运动状态称为海水湍流。随着海水的粘滞性不断消耗海水湍流中的能量，为了保持大雷诺数即海水湍流存在情况，即海水湍流耗散的能量要远远小于海水所具有的动能。实际上，海水盐度与温度的扩散及转移、海水能量之间的交换和海水动量的损失等都会导致海水湍流现象慢慢的消失。因此，只有当外界环境持续的给海水提供能量，才能继续维持海水湍流的存在。图2-1海水层流与海水湍流转换示意图2.1.2Kolmogorov湍流能量级联理论类比于大气湍流能量级联理论知识：小尺度海水湍涡产生于大尺度海水湍涡的破裂，更小的海水湍涡产生于小尺度海水湍涡的破裂，当具有尺度的海水湍涡中的海水动能完全耗散完为止[112,113]。因此，海水作为粘性流体完全符合湍流能量级联理论。科学家Kolmogorov揭示了小尺度湍涡具有独立于大尺度湍涡的性质[114],认为所有从大尺度湍涡破裂成小尺度的湍涡皆开始于大尺度湍涡的直接消失。对于海水湍流而言，大尺度海水湍涡中具有的动量永远大于小尺度海水湍涡中具有的动量。不规则海水动能不断耗散成热能。导致大尺度海水湍涡所具有的动能不能再维持其原尺寸大小海水湍涡的形状，只能破裂成更小尺度形状的海水湍涡，并且将剩余动能转移给该小尺度的海水湍涡。海水的平均耗散率和海水粘滞参数能够影响小尺度海水湍涡中运动状态。因此，小尺度湍涡与大尺度湍涡之间不可能存在相互关联。按Kolmogorov湍流能量级联理论知识，海水的能量级联过程包含海水能量输入区、惯性区和海水能量耗散区。当外界能量进入海水湍流时，此时海水湍流形成的尺度为外尺度0L。随着海水无?
因此，海水湍流依然符合Kolmogorov湍流能量级联理论。理论上，随着海水中动量、能量和物质扩散的转移，海水湍流的无规则运动会逐渐减弱最终导致无法维持海水湍流现象。事实上，海水受到太阳、月球的引力作用给海水湍流提供了潮汐能；海水表面受到风力的作用给海水湍流提供了动能；海水中盐度与温度梯度差异产生压强梯度力给海水湍流的流动产生动量；太阳能产生的海水与大气相互作用给海水湍流提供能量与物质交换；海水下的地热能给海水湍流提供了大量能量。因此，有上述外界提供的能量使海洋中不可避免的存在海水湍流现象。图2-2海水湍流中能量转换示意图2.2海水湍流折射率功率谱由于光波传输在海水介质中的特有优势被广泛应用于海洋光学通信、成像等诸多领域，从而激发了许多学者的兴趣。但是，海水湍流能够导致海水中传输光束波阵面的扭曲，并且严重影响工作在海水环境中的各类光学系统的性能。因此，海水湍流折射率起伏空间功率谱的研究对于建立准确可靠的海洋无线光通信的理论模型具有重要意义。另外，对于如何扼制海水湍流对于传输光波的干扰具有重要理论研究和实际应用价值。2.2.1Nikishov海水湍流折射率功率谱众所周知，海水湍流起伏折射率功率谱能够基本描述海洋中光学特性。而海水湍流起伏折射率功率谱对于传输光波的主要影响是由温度和盐度共同起伏引起的。自2000年以前，海水湍流折射率功率谱的研究都是基于单独温度起伏的海水湍流折射率功率谱或盐度起伏的海水湍流折射率功率谱。2000年，Nikishov[34]建立了温度和盐度共同起伏
【参考文献】：
期刊论文
[1]部分相干厄米高斯光束在海洋湍流中光束传输质量的变化[J]. 陈斐楠,陈延如,赵琦,陈晶晶,辛煜. 中国激光. 2013(04)
本文编号：2961862
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
海洋无线通信网络[1]
学博士学位论文12的结构形状和海水湍流产生的方式都能改变临界情况下的数值大校如果海水雷诺数Re小于Rec则为海水层流。而当海水的雷诺数Re大于Rec这临界点，则海水此时运动状态称为海水湍流。随着海水的粘滞性不断消耗海水湍流中的能量，为了保持大雷诺数即海水湍流存在情况，即海水湍流耗散的能量要远远小于海水所具有的动能。实际上，海水盐度与温度的扩散及转移、海水能量之间的交换和海水动量的损失等都会导致海水湍流现象慢慢的消失。因此，只有当外界环境持续的给海水提供能量，才能继续维持海水湍流的存在。图2-1海水层流与海水湍流转换示意图2.1.2Kolmogorov湍流能量级联理论类比于大气湍流能量级联理论知识：小尺度海水湍涡产生于大尺度海水湍涡的破裂，更小的海水湍涡产生于小尺度海水湍涡的破裂，当具有尺度的海水湍涡中的海水动能完全耗散完为止[112,113]。因此，海水作为粘性流体完全符合湍流能量级联理论。科学家Kolmogorov揭示了小尺度湍涡具有独立于大尺度湍涡的性质[114],认为所有从大尺度湍涡破裂成小尺度的湍涡皆开始于大尺度湍涡的直接消失。对于海水湍流而言，大尺度海水湍涡中具有的动量永远大于小尺度海水湍涡中具有的动量。不规则海水动能不断耗散成热能。导致大尺度海水湍涡所具有的动能不能再维持其原尺寸大小海水湍涡的形状，只能破裂成更小尺度形状的海水湍涡，并且将剩余动能转移给该小尺度的海水湍涡。海水的平均耗散率和海水粘滞参数能够影响小尺度海水湍涡中运动状态。因此，小尺度湍涡与大尺度湍涡之间不可能存在相互关联。按Kolmogorov湍流能量级联理论知识，海水的能量级联过程包含海水能量输入区、惯性区和海水能量耗散区。当外界能量进入海水湍流时，此时海水湍流形成的尺度为外尺度0L。随着海水无?
因此，海水湍流依然符合Kolmogorov湍流能量级联理论。理论上，随着海水中动量、能量和物质扩散的转移，海水湍流的无规则运动会逐渐减弱最终导致无法维持海水湍流现象。事实上，海水受到太阳、月球的引力作用给海水湍流提供了潮汐能；海水表面受到风力的作用给海水湍流提供了动能；海水中盐度与温度梯度差异产生压强梯度力给海水湍流的流动产生动量；太阳能产生的海水与大气相互作用给海水湍流提供能量与物质交换；海水下的地热能给海水湍流提供了大量能量。因此，有上述外界提供的能量使海洋中不可避免的存在海水湍流现象。图2-2海水湍流中能量转换示意图2.2海水湍流折射率功率谱由于光波传输在海水介质中的特有优势被广泛应用于海洋光学通信、成像等诸多领域，从而激发了许多学者的兴趣。但是，海水湍流能够导致海水中传输光束波阵面的扭曲，并且严重影响工作在海水环境中的各类光学系统的性能。因此，海水湍流折射率起伏空间功率谱的研究对于建立准确可靠的海洋无线光通信的理论模型具有重要意义。另外，对于如何扼制海水湍流对于传输光波的干扰具有重要理论研究和实际应用价值。2.2.1Nikishov海水湍流折射率功率谱众所周知，海水湍流起伏折射率功率谱能够基本描述海洋中光学特性。而海水湍流起伏折射率功率谱对于传输光波的主要影响是由温度和盐度共同起伏引起的。自2000年以前，海水湍流折射率功率谱的研究都是基于单独温度起伏的海水湍流折射率功率谱或盐度起伏的海水湍流折射率功率谱。2000年，Nikishov[34]建立了温度和盐度共同起伏
【参考文献】：
期刊论文
[1]部分相干厄米高斯光束在海洋湍流中光束传输质量的变化[J]. 陈斐楠,陈延如,赵琦,陈晶晶,辛煜. 中国激光. 2013(04)
本文编号：2961862
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