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海洋湍流對(duì)激光束傳輸?shù)挠绊?/H1>
發(fā)布時(shí)間:2017-12-14 14:29

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【摘要】:海水折射率起伏主要由溫度變化和鹽度變化引起,而海水折射率變化會(huì)導(dǎo)致海洋湍流功率譜的變化。隨著水下激光雷達(dá)、水下光通信、水下成像和水下傳感等應(yīng)用的興起,深入研究激光束在海洋湍流傳輸?shù)耐牧餍?yīng)就顯得尤為重要。另一方面,激光在海水中傳輸過程中,由于海水的吸收和散射,導(dǎo)致激光束在海水中傳輸距離遠(yuǎn)不如在大氣湍流中傳輸?shù)墓馐|(zhì)量,解決如何獲得較好的光束質(zhì)量等相關(guān)問題就顯得尤為重要。本文主要采用理論計(jì)算和數(shù)值分析相結(jié)合的方式,從以下三個(gè)方面展開不同激光束在海洋湍流中傳輸問題:一、海洋湍流中光的傳輸1.海洋湍流的空間相干長(zhǎng)度本文中,推導(dǎo)出海洋湍流中傳輸?shù)钠矫娌ê颓蛎娌ǖ牟ńY(jié)構(gòu)函數(shù)和空間相干長(zhǎng)度的數(shù)學(xué)表達(dá)式,其適用于弱起伏條件和強(qiáng)起伏條件。結(jié)果表明:第一,在Rytov近似下,基于海洋湍流功率譜,慣性區(qū)間的波結(jié)構(gòu)函數(shù)仍然滿足Kolmogorov三分之五定律,并且鹽度變化引起的光學(xué)湍流對(duì)光束的影響比溫度變化引起的光學(xué)湍流要大得多。第二,研究了波結(jié)構(gòu)函數(shù)隨三個(gè)海洋參數(shù)(即溫度與鹽度對(duì)功率譜貢獻(xiàn)的比值w、溫度方差耗散率χT和單位海水動(dòng)能耗散率ε)的變化情況。不論是平面波還是球面波,波結(jié)構(gòu)函數(shù)WSF隨w和χT增大而增大,隨ε減小而增大。除此之外,平面波的WSF大于球面波的WSF。第三,空間相干長(zhǎng)度可以表征湍流的強(qiáng)弱,比如說,激光束的相干性受湍流的影響。研究了空間相干長(zhǎng)度隨三個(gè)海洋參數(shù)的變化情況。研究發(fā)現(xiàn):不論是平面波還是球面波,空間相干長(zhǎng)度ρ0隨w和χT增大而減小,隨ε減小而減小。第四,詳細(xì)分析了溫度變化與鹽度變化對(duì)功率譜變化貢獻(xiàn)的大小的比值w:0的情況。本文主要從兩個(gè)方面來分析w=0:一方面,海水不是等溫的,但仍然有w=0,從海洋功率譜函數(shù)來看,公式是沒意義的:另一方面,海水是等溫的情況,溫度梯度為零,這使Nikishov提出的海洋功率譜為零,然而實(shí)際的海水不會(huì)由于海水等溫而使海洋功率譜為零,因而,獲得一個(gè)適用于等溫海水的功率譜函數(shù)是必要的。在本文中,首次利用鹽度方差耗散率推導(dǎo)出等溫條件下的功率譜函數(shù),并且也能滿足w=0的條件。然而,要單純地描述w=0是否使功率譜有意義,如果不添加其他的限制條件,是不可行的。通過對(duì)w=O的分析,我們將有必要修改w的取值范圍,并將其限定在w∈[一5,0)的范圍內(nèi)。2.海洋湍流中相位起伏(1)海洋湍流中到達(dá)角起伏本文推導(dǎo)出海洋湍流中平面波和球面波的相位結(jié)構(gòu)函數(shù)和到達(dá)角起伏的解析表達(dá)式。對(duì)比了解析表達(dá)式獲得的到達(dá)角起伏的結(jié)果和到達(dá)角起伏的定義式的數(shù)值結(jié)果,結(jié)果表明兩種不同計(jì)算結(jié)果相吻合,同時(shí)驗(yàn)證了到達(dá)角起伏解析表達(dá)式的準(zhǔn)確性。湍流包含大小不同的湍渦,能量從大湍渦轉(zhuǎn)移到小湍渦,直到能量完全被損耗。Kolmogorov理論指出較大的雷諾數(shù),較小尺寸的湍流結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定、各向同性和局部的,不依賴于其他的大尺度湍流。在先前的研究中,活躍區(qū)(active region)湍流尺寸小,然而強(qiáng)分層區(qū)(strongly stratified water)可以看成穩(wěn)定的較深的邊界層,包括深海,其湍流尺寸較大,湍流較強(qiáng)。本文中,用空間相干長(zhǎng)度來描述到達(dá)角起伏,并分析了兩者之間的關(guān)系。(2)海洋湍流對(duì)激光束光束漂移的影響本文從解析方法和數(shù)值方法兩個(gè)方面研究了弱起伏條件下的光束偏移情況,得到以下結(jié)論:第一,無論是準(zhǔn)直光束還是聚焦光束,光束漂移隨ε減小而增大,隨新增大而增大和鹽度誘致占優(yōu)勢(shì)的光學(xué)湍流條件下光束漂移顯著;兩種不同光束的區(qū)別在于準(zhǔn)直光束的漂移量小于聚焦光束的漂移量;發(fā)射端的光束半徑W0越小,其光束漂移量越大。第二,基于無量綱物理量BW,研究了光束漂移和湍流導(dǎo)致的光斑尺寸的關(guān)系,結(jié)果表明準(zhǔn)直光束的漂移量對(duì)湍流導(dǎo)致的光斑尺寸的影響要小。第三,為區(qū)分不同光束的漂移量,本文基于準(zhǔn)直光束和聚焦光束,首次定義了相對(duì)漂移的概念。當(dāng)發(fā)射端口的光束曲率參數(shù)趨近于1時(shí),相對(duì)光束漂移很小。3.光強(qiáng)起伏(1) Rytov方差湍流大氣Rytov方差是一個(gè)不可或缺的量,它是判定弱、中和強(qiáng)起伏湍流條件的,并且Rytov方差廣泛地用于描述湍流的強(qiáng)度。目前,除了用三個(gè)海洋參數(shù)來描述湍流的強(qiáng)度,還沒有一個(gè)類似于大氣湍流中Rytov方差的量來定量描述海洋湍流強(qiáng)弱起伏。本節(jié)將從大氣湍流的Rytov方差定義出發(fā),推導(dǎo)出海洋湍流中的Rytov方差。在大氣湍流中,Rytov方差可以表征湍流起伏程度,基于海洋湍流功率譜,推導(dǎo)海洋湍流的Rytov方差有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。(2)閃爍指數(shù)本章節(jié),在弱海洋湍流起伏條件下,首次推導(dǎo)了閃爍指數(shù)的徑向和軸上分量的解析表達(dá)式,研究了在海洋湍流中傳輸?shù)母咚构馐W爍指數(shù)徑向分量受離軸距離、傳輸距離和三個(gè)海洋參數(shù)的影響。結(jié)果表明:閃爍指數(shù)徑向分量隨離軸距離,·、傳輸距離L、溫度與鹽度對(duì)功率譜貢獻(xiàn)的比值w和溫差耗散率χT的增大而增大,隨單位海水動(dòng)能耗散率ε減小而增大。類似于閃爍指數(shù)徑向分量,閃爍指數(shù)軸上分量隨傳輸距離L、溫度與鹽度對(duì)功率譜貢獻(xiàn)的比值w和溫差耗散率χT增大而增大,和單位海水動(dòng)能耗散率占減小而增大。此外,數(shù)值分析了σ1.12(r,L)1弱起伏條件的三種波(即平面波、高斯和球面波)閃爍指數(shù)軸向分量的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn):平面波的閃爍指數(shù)軸向分量比其他兩種模型增長(zhǎng)速率快,說明了在同一湍流強(qiáng)度平面波受湍流影響大。平面波的湍流距離要小于高斯和球面波的湍流距離。二、列陣激光束在海洋湍流中傳輸效應(yīng)(1)M×N二維線陣高斯列陣激光束在海洋湍流中傳輸?shù)钠骄鈴?qiáng)研究表明,要獲得較高激光輸出功率以及較高激光光束質(zhì)量,列陣光束在上述實(shí)際應(yīng)用中扮演著重要角色。雖然列陣光束的應(yīng)用相當(dāng)廣泛,如何將列陣光束聚焦到一點(diǎn)的問題研究得甚少。本文中引入了波前曲率半徑F0,并且推導(dǎo)出M×N二維線陣高斯列陣光束通過海洋湍流的平均光強(qiáng)的解析表達(dá)式。研究結(jié)果表明:隨著波前曲率半徑的引入,列陣光束在傳輸過程中使光強(qiáng)能夠聚焦到同一位置。不論相干合成還是非相干合成的平均光強(qiáng)受強(qiáng)湍流的影響十分厲害。基于本文定義的相對(duì)平均光強(qiáng),相干合成光束受海洋湍流影響的光強(qiáng)敏感程度要大于非相干合成影響。(2)海洋湍流對(duì)徑向高斯列陣激光束光束擴(kuò)展的影響以均方根束寬和有效曲率半徑為評(píng)價(jià)光束擴(kuò)展的指標(biāo),研究了通過海洋湍流的相干合成條件下徑向高斯列陣激光束的光束擴(kuò)展問題。首次給定了海洋湍流中湍流參數(shù)F的解析表達(dá)式,對(duì)比了該解析式和海洋參數(shù)的積分表達(dá)式的數(shù)值結(jié)果,驗(yàn)證了該解析表達(dá)式的準(zhǔn)確性;诤Q笸牧鲄(shù),推導(dǎo)出徑向高斯列陣光束的均方根束寬的解析表達(dá)式。此外,依據(jù)空間二階矩和空間頻率域二階矩,推導(dǎo)出有效曲率半徑的解析表達(dá)式。湍流強(qiáng)度決定了有效曲率半徑的大小,同理,有限曲率半徑的大小反應(yīng)了湍流強(qiáng)度。較強(qiáng)的湍流導(dǎo)致較小的有效曲率半徑和較大的光束擴(kuò)展,并且,有效曲率半徑可以作為表征湍流強(qiáng)度的物理量。三、海洋湍流對(duì)超短脈沖激光的影響對(duì)比了海洋湍流的Rytov復(fù)數(shù)相位結(jié)構(gòu)函數(shù),其有三種處理方式:(1)Rytov復(fù)數(shù)相位結(jié)構(gòu)函數(shù)二次近似;(2)Rytov復(fù)數(shù)相位結(jié)構(gòu)函數(shù)二階近似;(3)直接展開零階貝塞爾函數(shù)法。結(jié)果表明:新方法(直接展開零階貝塞爾函數(shù))和Rytov復(fù)數(shù)相位結(jié)構(gòu)函數(shù)二次近似比較接近,和Rytov復(fù)數(shù)相位結(jié)構(gòu)函數(shù)二階近似相差甚遠(yuǎn)。其次,基于海洋湍流Rytov方差,研究了超短脈沖脈寬展寬隨傳輸距離、波長(zhǎng)、初始脈寬和初始高斯光束半徑的變化關(guān)系。結(jié)果表明:軸上相對(duì)脈沖展寬隨初始脈寬增加而減小,隨傳輸距離、波長(zhǎng)和初始高斯光束半徑的增大而增大。最后,為表征湍流作為影響脈沖展寬的唯一因素,本文定義了軸上湍流有效系數(shù),并對(duì)軸上湍流有效系數(shù)作了一些研究。結(jié)果表明:湍流有效系數(shù)隨初始脈寬增加而減小,隨初始高斯光束半徑的增加而增大,并且在初始高斯光束半徑增加到一定程度時(shí),湍流有效系數(shù)不再增大。通過上述三個(gè)方面,研究了海洋湍流中光的傳輸、列陣激光束在海洋湍流的傳輸效應(yīng)和海洋湍流對(duì)超短脈沖激光的影響。這些結(jié)果更加系統(tǒng)的描述了激光束在海水中傳輸特性,并為水下光通信、水下成像及傳感提供理論基礎(chǔ)和計(jì)算依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2016
【分類號(hào)】:O357.5

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本文編號(hào):1288250


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