隨著陸地資源不斷地枯竭,人類對于海洋資源探索以及海洋軍事研究工作的日益頻繁。構(gòu)建遠(yuǎn)距離、大數(shù)據(jù)、高速、保密的海洋通信與傳感網(wǎng)絡(luò)是全世界急待解決的問題。與海洋電磁波通信和聲波通信對比,海洋無線光通信具有頻帶寬、信息容量大、數(shù)據(jù)傳輸速率快、延遲低、保密性好、能耗低等優(yōu)點。特別當(dāng)以攜帶軌道角動量渦旋光束作為信號載體的海洋無線光通信系統(tǒng)具有更高的信道容量、頻譜效率和保密性。此外,在不產(chǎn)生熱暈的前提下,采用高功率超短脈沖渦旋光波作為信號載波能夠緩解海水信道中的消光損失。然而,海水湍流也能夠引起信號光波的強度起伏、束徑擴(kuò)展和束心抖動等效應(yīng),從而降低海洋無線光通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。因此,研究連續(xù)型或脈沖型渦旋光波在海水湍流中的傳輸特性,是優(yōu)化海洋無線光通信系統(tǒng)性能的一項必要的基礎(chǔ)性研究工作。為此,本論文針對上述問題進(jìn)行了如下的創(chuàng)新研究工作:1.新型海水湍流折射率功率譜的建立。通過引入尺度有限的海水湍流外尺度因子,我們建立了適用于在不穩(wěn)定分層情況下從低空間波數(shù)區(qū)到高空間波數(shù)區(qū)的新海水湍流折射率功率譜。新譜模擬結(jié)果也被證明與實驗數(shù)據(jù)更加一致。新譜不僅消除了穩(wěn)定分層假設(shè)的誤差,而且解決了在零空間波數(shù)區(qū)域出現(xiàn)... 

【文章來源】：江南大學(xué)江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：130 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

海洋無線通信網(wǎng)絡(luò)[1]

學(xué)博士學(xué)位論文12的結(jié)構(gòu)形狀和海水湍流產(chǎn)生的方式都能改變臨界情況下的數(shù)值大校如果海水雷諾數(shù)Re小于Rec則為海水層流。而當(dāng)海水的雷諾數(shù)Re大于Rec這臨界點，則海水此時運動狀態(tài)稱為海水湍流。隨著海水的粘滯性不斷消耗海水湍流中的能量，為了保持大雷諾數(shù)即海水湍流存在情況，即海水湍流耗散的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于海水所具有的動能。實際上，海水鹽度與溫度的擴(kuò)散及轉(zhuǎn)移、海水能量之間的交換和海水動量的損失等都會導(dǎo)致海水湍流現(xiàn)象慢慢的消失。因此，只有當(dāng)外界環(huán)境持續(xù)的給海水提供能量，才能繼續(xù)維持海水湍流的存在。圖2-1海水層流與海水湍流轉(zhuǎn)換示意圖2.1.2Kolmogorov湍流能量級聯(lián)理論類比于大氣湍流能量級聯(lián)理論知識：小尺度海水湍渦產(chǎn)生于大尺度海水湍渦的破裂，更小的海水湍渦產(chǎn)生于小尺度海水湍渦的破裂，當(dāng)具有尺度的海水湍渦中的海水動能完全耗散完為止[112,113]。因此，海水作為粘性流體完全符合湍流能量級聯(lián)理論�？茖W(xué)家Kolmogorov揭示了小尺度湍渦具有獨立于大尺度湍渦的性質(zhì)[114],認(rèn)為所有從大尺度湍渦破裂成小尺度的湍渦皆開始于大尺度湍渦的直接消失。對于海水湍流而言，大尺度海水湍渦中具有的動量永遠(yuǎn)大于小尺度海水湍渦中具有的動量。不規(guī)則海水動能不斷耗散成熱能。導(dǎo)致大尺度海水湍渦所具有的動能不能再維持其原尺寸大小海水湍渦的形狀，只能破裂成更小尺度形狀的海水湍渦，并且將剩余動能轉(zhuǎn)移給該小尺度的海水湍渦。海水的平均耗散率和海水粘滯參數(shù)能夠影響小尺度海水湍渦中運動狀態(tài)。因此，小尺度湍渦與大尺度湍渦之間不可能存在相互關(guān)聯(lián)。按Kolmogorov湍流能量級聯(lián)理論知識，海水的能量級聯(lián)過程包含海水能量輸入?yún)^(qū)、慣性區(qū)和海水能量耗散區(qū)。當(dāng)外界能量進(jìn)入海水湍流時，此時海水湍流形成的尺度為外尺度0L。隨著海水無?

因此，海水湍流依然符合Kolmogorov湍流能量級聯(lián)理論。理論上，隨著海水中動量、能量和物質(zhì)擴(kuò)散的轉(zhuǎn)移，海水湍流的無規(guī)則運動會逐漸減弱最終導(dǎo)致無法維持海水湍流現(xiàn)象。事實上，海水受到太陽、月球的引力作用給海水湍流提供了潮汐能；海水表面受到風(fēng)力的作用給海水湍流提供了動能；海水中鹽度與溫度梯度差異產(chǎn)生壓強梯度力給海水湍流的流動產(chǎn)生動量；太陽能產(chǎn)生的海水與大氣相互作用給海水湍流提供能量與物質(zhì)交換；海水下的地?zé)崮芙o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現(xiàn)象。圖2-2海水湍流中能量轉(zhuǎn)換示意圖2.2海水湍流折射率功率譜由于光波傳輸在海水介質(zhì)中的特有優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于海洋光學(xué)通信、成像等諸多領(lǐng)域，從而激發(fā)了許多學(xué)者的興趣。但是，海水湍流能夠?qū)е潞Ｋ袀鬏敼馐嚸娴呐で⑶覈?yán)重影響工作在海水環(huán)境中的各類光學(xué)系統(tǒng)的性能。因此，海水湍流折射率起伏空間功率譜的研究對于建立準(zhǔn)確可靠的海洋無線光通信的理論模型具有重要意義。另外，對于如何扼制海水湍流對于傳輸光波的干擾具有重要理論研究和實際應(yīng)用價值。2.2.1Nikishov海水湍流折射率功率譜眾所周知，海水湍流起伏折射率功率譜能夠基本描述海洋中光學(xué)特性。而海水湍流起伏折射率功率譜對于傳輸光波的主要影響是由溫度和鹽度共同起伏引起的。自2000年以前，海水湍流折射率功率譜的研究都是基于單獨溫度起伏的海水湍流折射率功率譜或鹽度起伏的海水湍流折射率功率譜。2000年，Nikishov[34]建立了溫度和鹽度共同起伏

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]部分相干厄米高斯光束在海洋湍流中光束傳輸質(zhì)量的變化[J]. 陳斐楠,陳延如,趙琦,陳晶晶,辛煜.  中國激光. 2013(04)



本文編號：2961862