海洋湍流中光波Rytov方差及光波和自适应光学成像系统特征参量研究

论文摘要

随着水下光通信、传感和激光雷达等应用的兴起,研究水下环境中光传输和光学成像具有重要意义。已有实验表明,海洋湍流是影响水下光学成像质量的主要因素之一。Strehl比、Greenwood时间常数和等晕角等是自适应光学成像系统特征参量,但海洋湍流中这些特征参量的研究还未见报道。光波空间相干长度和Rytov方差是光波湍流介质中传输理论研究的重要参数,而目前这两个参数在新型Elamassie海洋湍流功率谱模型下的结果还未涉及。此外,激光雷达系统需考虑光波在海洋湍流中的双程传输,而之前的研究都仅局限于光波单程海洋湍流中传输。本论文针对以上问题开展了研究,具体工作如下:1.研究了海洋湍流中自适应光学成像系统特征参量。推得了海洋湍流中短曝光成像Strehl比的近似解析表达式,并验证:除了在近场DG/r0=1附近外（r0和DG分别为海洋湍流中的可见参数和光学系统的光瞳直径）,该近似公式均可保证足够的精度。此外,还得到了海洋湍流中Greenwood时间常数和等晕角的表达式。研究发现:当海水中盐度起伏占主导地位,海水湍流温度方差耗散率增大或湍流动能耗散率减小时,这三个特征参量值均减小。2.研究了海洋湍流中光波特征参量和高斯光束短期光束扩展。采用Elamassie海洋湍流功率谱模型（EPSM）,推导出了各向同性且非均匀海水介质中光波空间相干长度、波结构函数和Fried参数的解析式,并验正了所得解析式的正确性。研究表明:当海水中温度起伏占主导地位时,之前提出的Nikishov海洋湍流功率谱模型（NPSM）把湍流强度低估了;当盐度起伏占主导地位时,NPSM把湍流强度高估了。基于EPSM,还得到了海洋湍流中短期光束扩展的半解析公式,并校验了其正确性。此外,海水稳定分层与否,短期光束扩展差异很大。3.研究了海洋湍流中光波Rytov方差和激光雷达系统性能指标。利用EPSM推导了海洋湍流中球面波Rytov方差β02的解析表达式,并验证了其正确性。研究了水下激光雷达系统的性能指标,如单基（MS）和双基光学系统（BS）的双程传输闪烁指数σI2、孔径平均因子A、平均信噪比〈SNR〉和平均比特出错概率〈BER〉。另一方面,还研究了分别采用EPSM和NPSM的β02,σI2和〈SNR〉之间的差异。结果表明,在弱、中海洋湍流中,当温度起伏占主要作用时,NPSM把σI2低估了;而当盐度起伏占主要作用时,NPSM把σI2NPSM高估了;然而,在强湍流中则是相反的。此外,采用EPSM与NPSM的〈SNR〉的相对误差变化和σI2的不同,MS的σI2、〈SNR〉的相对误差值均大于BS,弱、中湍流中的σI2、〈SNR〉的相对误差值均大于强湍流中的值。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴彤

导师: 季小玲

关键词: 海洋湍流,时间常数,等晕角,波结构函数,空间相干长度和参数,短期光束扩展,球面波方差,功率谱模型,水下激光雷达系统,双程传输闪烁指数,信噪比,比特出错概率

来源: 四川师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 四川师范大学

基金: 国家自然科学基金(批准号:61475105,61775152,61505130)

分类号: P756.6

DOI: 10.27347/d.cnki.gssdu.2019.001137

总页数: 57

文件大小: 2983K

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