【摘要】：隨著水下激光技術應用的發(fā)展,研究激光在海洋中的傳輸特性以及成像問題具有重要意義。激光在產(chǎn)生和傳輸過程中,會產(chǎn)生像差。像差會降低激光光束質量,常見像差有球差、慧差和像散等等。相較于球差和像散對于光束傳輸特性影響的研究,慧差對光束影響的研究非常少。因此,研究海洋湍流中慧差光束傳輸特性(如光強閃爍、束寬、能量Strehl比和?參數(shù)等)具有非常重要的意義。另一方面,激光照明目標產(chǎn)生漫反射回光成像是圖像傳輸非常關注的問題之一,深入研究海洋湍流對漫反射光成像的影響顯得尤為重要。本學位論文主要采用自行編制的數(shù)值模擬仿真程序展開了以下三個方面的研究工作:1、研究慧差光束通過海洋湍流的傳輸特性。本論文將采用二階矩束寬、能量Strehl比、?參數(shù)作為研究慧差光束通過海洋湍流傳輸特性的評價參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn):海洋湍流將會導致光束的“慧形”分布消失。另外,慧差光束的質心位置與其最大光強位置一般不重合。以“光束質心位置”為中心計算的束寬值比以“最大光強位置”為中心計算的束寬值要小,但其受海洋湍流的影響更大。值得指出的是:以能量Strehl比作為光束質量評價參數(shù)時,慧差越厲害,光束能量集中度受海洋湍流的影響越小。然而,以β參數(shù)作為評價參數(shù),當慧差系數(shù)取某特定值時,光束能量集中度受海洋湍流的影響最大,這種情況在實際應用中應該避免。能量Strehl比與β參數(shù)的物理含義不同,即按照給定桶半徑內(nèi)所含能量定義的能量集中度(能量Strehl比)與給定桶中功率百分比定義的能量集中度(β參數(shù))受海洋湍流的影響是不同的,這在實際應用中值得特別關注。2、研究慧差對光束通過海洋湍流傳輸光強孔徑閃爍的影響。研究發(fā)現(xiàn):在弱海洋湍流中,慧差可以有效抑制光強孔徑閃爍,并且光強孔徑閃爍隨慧差系數(shù)的增大而減小。然而,在中、強海洋湍流中,慧差對光強孔徑閃爍的影響可以忽略,并且強海洋湍流中光強孔徑閃爍還會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。此外,研究還發(fā)現(xiàn):在海洋湍流中,鹽度起伏占主導地位時引起的光強孔徑閃爍比溫度起伏占主導地位時引起的光強孔徑閃爍要強。值得指出的是:對于慧差高斯光束,光強孔徑閃爍與點閃爍明顯不同,在實際應用中孔徑閃爍較點閃爍更適合用于描述光強閃爍。3、研究海洋湍流中擴展物體漫反射光成像。采用空域濾波方法以滿足近軸近似光傳輸波動方程,并且利用Nikishov提出的海洋湍流功率譜產(chǎn)生隨機相位屏,自行編制擴展物體漫反射光在海洋湍流中成像的仿真程序。利用該程序研究了海洋湍流中擴展物體漫反射光成像質量與海洋湍流參數(shù)和接收孔徑尺寸的關系。研究表明:本論文提出的利用空域濾波數(shù)值模擬海洋湍流中擴展物體漫反射光成像的方法是可行和正確的,從而為研究海洋湍流中漫反射光成像研究提供了一種方法。此外,隨著海洋湍流功率譜中溫度與鹽度起伏貢獻比率、海水溫度方差耗散率的增大,以及單位質量海水動能耗散率的減小,海洋湍流可見參數(shù)將會減小,成像質量變差。
【圖文】：

=0時 2.2.1.2) 式可以簡化為基礎的高斯光束的場分布表達式。如圖2.2.1.1即本文研究的慧差高斯光束光強分布圖（C ≠0，z≠0）。圖 2.2.1.1 慧差高斯光束由圖像可以看出，慧差高斯光束是一種非對稱性光束，其最大光強位置和光束質心位置不重合（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強分布有： 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平面處慧差高斯光束的光強分布和基礎的高斯光束的光強分布相同，因此在 z=0平面還不能體現(xiàn)慧差的影響。但是，慧差對光束的傳輸會產(chǎn)生影響，這一點將在后面的章節(jié)中討論。2.2.2 擴展物體漫反射光的描述激光照射到擴展物體表面會產(chǎn)生漫反射，由此產(chǎn)生的漫反射光的光場設為： ( x

式中 ( x , y)表示入射光場，，本文采用高斯光束作為入射光束。 H ( x , y )是表示擴展物體的函數(shù)， H ( x , y ) T ( x , y ) exp[i ( x , y)]，其中 T 表示漫反射物體的輪廓及其反射率， ( x , y)表示由于物體漫反射引起的相位調(diào)制。本文采用如圖2.2.2.1所示的對稱性擴展物體對高斯光束的反射光的傳輸及成像問題。該擴展漫反射體是由一系列尺寸 0.23mm 0.23mm的小方格組成，由中心向外圓的半徑依次分別為0.82mm、1.64mm、3.05mm 和4.69mm。圖 2.2.2.1 漫反射物體2.3 激光在海洋湍流中傳輸及成像的主要研究方法目前，激光在隨機介質中的傳輸及成像的處理方法非常多，但每種方法都有其優(yōu)缺點。本文主要采用數(shù)值模擬法對激光在海洋湍流中的傳輸特性和成像進行研究和討論。此外，由于漫反射光的發(fā)散角非常大，本文將采用空域濾波的方法對其進行濾波處理。下面將對以上兩種研究方法進行說明。2.3.1 數(shù)值模擬方法光波在隨機介質中傳輸，在傍軸近似下，由麥克斯韋波動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 表示光波的波數(shù)，其值為2 / ， 是光波波長；n 是折射率；E 是光場；2 2 2 2 2/ x /y 是拉普拉斯算子。求解方程(2.3.1.1)一般采用多層相位屏傅里葉變換的方法。該方法是將光束的傳輸路徑 z 分成 m 段，在每一段傳輸距離 z z /m過程中近似將海洋湍流對光束波前相位產(chǎn)生的擾動用一個薄相位屏表示。因此
【學位授予單位】：四川師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O435.1;P731.26

【參考文獻】

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本文編號：2621434