【摘要】：隨著水下激光技術(shù)應(yīng)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(zhì)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(guān)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(xué)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(dǎo)致光束的“慧形”分布消失。另外,慧差光束的質(zhì)心位置與其最大光強位置一般不重合。以“光束質(zhì)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(zhì)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(dāng)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(yīng)用中應(yīng)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(yīng)用中值得特別關(guān)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(dǎo)地位時引起的光強孔徑閃爍比溫度起伏占主導(dǎo)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(yīng)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(zhì)量與海洋湍流參數(shù)和接收孔徑尺寸的關(guān)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(zhì)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(zhì)量變差。
【圖文】：

=0時 2.2.1.2) 式可以簡化為基礎(chǔ)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(zhì)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(chǔ)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(shè)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(zhì)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(zhì)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(xué)位授予單位】：四川師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O435.1;P731.26

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本文編號：2621434