海洋湍流对激光束传输的影响

发布时间：2017-12-14 14:29

  本文关键词：海洋湍流对激光束传输的影响

  更多相关文章： 海洋湍流 空间相干长度 到达角起伏 光束漂移 Rytov方差 闪烁指数 列阵光束 平均光强 光束扩宽 脉冲展宽

【摘要】：海水折射率起伏主要由温度变化和盐度变化引起,而海水折射率变化会导致海洋湍流功率谱的变化。随着水下激光雷达、水下光通信、水下成像和水下传感等应用的兴起,深入研究激光束在海洋湍流传输的湍流效应就显得尤为重要。另一方面,激光在海水中传输过程中,由于海水的吸收和散射,导致激光束在海水中传输距离远不如在大气湍流中传输的光束质量,解决如何获得较好的光束质量等相关问题就显得尤为重要。本文主要采用理论计算和数值分析相结合的方式,从以下三个方面展开不同激光束在海洋湍流中传输问题：一、海洋湍流中光的传输1.海洋湍流的空间相干长度本文中,推导出海洋湍流中传输的平面波和球面波的波结构函数和空间相干长度的数学表达式,其适用于弱起伏条件和强起伏条件。结果表明：第一,在Rytov近似下,基于海洋湍流功率谱,惯性区间的波结构函数仍然满足Kolmogorov三分之五定律,并且盐度变化引起的光学湍流对光束的影响比温度变化引起的光学湍流要大得多。第二,研究了波结构函数随三个海洋参数(即温度与盐度对功率谱贡献的比值w、温度方差耗散率χT和单位海水动能耗散率ε)的变化情况。不论是平面波还是球面波,波结构函数WSF随w和χT增大而增大,随ε减小而增大。除此之外,平面波的WSF大于球面波的WSF。第三,空间相干长度可以表征湍流的强弱,比如说,激光束的相干性受湍流的影响。研究了空间相干长度随三个海洋参数的变化情况。研究发现：不论是平面波还是球面波,空间相干长度ρ0随w和χT增大而减小,随ε减小而减小。第四,详细分析了温度变化与盐度变化对功率谱变化贡献的大小的比值w：0的情况。本文主要从两个方面来分析w=0：一方面,海水不是等温的,但仍然有w=0,从海洋功率谱函数来看,公式是没意义的：另一方面,海水是等温的情况,温度梯度为零,这使Nikishov提出的海洋功率谱为零,然而实际的海水不会由于海水等温而使海洋功率谱为零,因而,获得一个适用于等温海水的功率谱函数是必要的。在本文中,首次利用盐度方差耗散率推导出等温条件下的功率谱函数,并且也能满足w=0的条件。然而,要单纯地描述w=0是否使功率谱有意义,如果不添加其他的限制条件,是不可行的。通过对w=O的分析,我们将有必要修改w的取值范围,并将其限定在w∈[一5,0)的范围内。2.海洋湍流中相位起伏(1)海洋湍流中到达角起伏本文推导出海洋湍流中平面波和球面波的相位结构函数和到达角起伏的解析表达式。对比了解析表达式获得的到达角起伏的结果和到达角起伏的定义式的数值结果,结果表明两种不同计算结果相吻合,同时验证了到达角起伏解析表达式的准确性。湍流包含大小不同的湍涡,能量从大湍涡转移到小湍涡,直到能量完全被损耗。Kolmogorov理论指出较大的雷诺数,较小尺寸的湍流结构是稳定、各向同性和局部的,不依赖于其他的大尺度湍流。在先前的研究中,活跃区(active region)湍流尺寸小,然而强分层区(strongly stratified water)可以看成稳定的较深的边界层,包括深海,其湍流尺寸较大,湍流较强。本文中,用空间相干长度来描述到达角起伏,并分析了两者之间的关系。(2)海洋湍流对激光束光束漂移的影响本文从解析方法和数值方法两个方面研究了弱起伏条件下的光束偏移情况,得到以下结论：第一,无论是准直光束还是聚焦光束,光束漂移随ε减小而增大,随新增大而增大和盐度诱致占优势的光学湍流条件下光束漂移显著；两种不同光束的区别在于准直光束的漂移量小于聚焦光束的漂移量；发射端的光束半径W0越小,其光束漂移量越大。第二,基于无量纲物理量BW,研究了光束漂移和湍流导致的光斑尺寸的关系,结果表明准直光束的漂移量对湍流导致的光斑尺寸的影响要小。第三,为区分不同光束的漂移量,本文基于准直光束和聚焦光束,首次定义了相对漂移的概念。当发射端口的光束曲率参数趋近于1时,相对光束漂移很小。3.光强起伏(1) Rytov方差湍流大气Rytov方差是一个不可或缺的量,它是判定弱、中和强起伏湍流条件的,并且Rytov方差广泛地用于描述湍流的强度。目前,除了用三个海洋参数来描述湍流的强度,还没有一个类似于大气湍流中Rytov方差的量来定量描述海洋湍流强弱起伏。本节将从大气湍流的Rytov方差定义出发,推导出海洋湍流中的Rytov方差。在大气湍流中,Rytov方差可以表征湍流起伏程度,基于海洋湍流功率谱,推导海洋湍流的Rytov方差有一定的实际应用意义。(2)闪烁指数本章节,在弱海洋湍流起伏条件下,首次推导了闪烁指数的径向和轴上分量的解析表达式,研究了在海洋湍流中传输的高斯光束闪烁指数径向分量受离轴距离、传输距离和三个海洋参数的影响。结果表明：闪烁指数径向分量随离轴距离,·、传输距离L、温度与盐度对功率谱贡献的比值w和温差耗散率χT的增大而增大,随单位海水动能耗散率ε减小而增大。类似于闪烁指数径向分量,闪烁指数轴上分量随传输距离L、温度与盐度对功率谱贡献的比值w和温差耗散率χT增大而增大,和单位海水动能耗散率占减小而增大。此外,数值分析了σ1.12(r,L)1弱起伏条件的三种波(即平面波、高斯和球面波)闪烁指数轴向分量的差异。结果发现：平面波的闪烁指数轴向分量比其他两种模型增长速率快,说明了在同一湍流强度平面波受湍流影响大。平面波的湍流距离要小于高斯和球面波的湍流距离。二、列阵激光束在海洋湍流中传输效应(1)M×N二维线阵高斯列阵激光束在海洋湍流中传输的平均光强研究表明,要获得较高激光输出功率以及较高激光光束质量,列阵光束在上述实际应用中扮演着重要角色。虽然列阵光束的应用相当广泛,如何将列阵光束聚焦到一点的问题研究得甚少。本文中引入了波前曲率半径F0,并且推导出M×N二维线阵高斯列阵光束通过海洋湍流的平均光强的解析表达式。研究结果表明：随着波前曲率半径的引入,列阵光束在传输过程中使光强能够聚焦到同一位置。不论相干合成还是非相干合成的平均光强受强湍流的影响十分厉害。基于本文定义的相对平均光强,相干合成光束受海洋湍流影响的光强敏感程度要大于非相干合成影响。(2)海洋湍流对径向高斯列阵激光束光束扩展的影响以均方根束宽和有效曲率半径为评价光束扩展的指标,研究了通过海洋湍流的相干合成条件下径向高斯列阵激光束的光束扩展问题。首次给定了海洋湍流中湍流参数F的解析表达式,对比了该解析式和海洋参数的积分表达式的数值结果,验证了该解析表达式的准确性。基于海洋湍流参数,推导出径向高斯列阵光束的均方根束宽的解析表达式。此外,依据空间二阶矩和空间频率域二阶矩,推导出有效曲率半径的解析表达式。湍流强度决定了有效曲率半径的大小,同理,有限曲率半径的大小反应了湍流强度。较强的湍流导致较小的有效曲率半径和较大的光束扩展,并且,有效曲率半径可以作为表征湍流强度的物理量。三、海洋湍流对超短脉冲激光的影响对比了海洋湍流的Rytov复数相位结构函数,其有三种处理方式：(1)Rytov复数相位结构函数二次近似；(2)Rytov复数相位结构函数二阶近似；(3)直接展开零阶贝塞尔函数法。结果表明：新方法(直接展开零阶贝塞尔函数)和Rytov复数相位结构函数二次近似比较接近,和Rytov复数相位结构函数二阶近似相差甚远。其次,基于海洋湍流Rytov方差,研究了超短脉冲脉宽展宽随传输距离、波长、初始脉宽和初始高斯光束半径的变化关系。结果表明：轴上相对脉冲展宽随初始脉宽增加而减小,随传输距离、波长和初始高斯光束半径的增大而增大。最后,为表征湍流作为影响脉冲展宽的唯一因素,本文定义了轴上湍流有效系数,并对轴上湍流有效系数作了一些研究。结果表明：湍流有效系数随初始脉宽增加而减小,随初始高斯光束半径的增加而增大,并且在初始高斯光束半径增加到一定程度时,湍流有效系数不再增大。通过上述三个方面,研究了海洋湍流中光的传输、列阵激光束在海洋湍流的传输效应和海洋湍流对超短脉冲激光的影响。这些结果更加系统的描述了激光束在海水中传输特性,并为水下光通信、水下成像及传感提供理论基础和计算依据。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O357.5

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