海洋湍流對(duì)激光束傳輸?shù)挠绊?pdf

1、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(guò)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(wèn)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(kāi)不同激

2、光束在海洋湍流中傳輸問(wèn)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

3、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xT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xT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(shuō)，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xT增大而減小，隨ε減小而減小。第四，詳細(xì)

4、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(lái)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(lái)看，公式是沒(méi)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

5、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(guò)對(duì)w=0的分析，我們將有必要修改w的取值范圍，并將其限定在w∈[-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

6、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)(activeregion)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(lái)描述

7、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(wú)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xT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(wú)量綱物理量BW，研究了光束漂

8、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(lái)

9、描述湍流的強(qiáng)度，還沒(méi)有一個(gè)類似于大氣湍流中Rytov方差的量來(lái)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

10、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r、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xT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xT增大而增大，和單位海水動(dòng)能耗散率ε減小而增大。此外，數(shù)值分析了σ21,l（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

11、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(shuō)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(wèn)題

12、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(guò)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(guò)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

13、率半徑為評(píng)價(jià)光束擴(kuò)展的指標(biāo)，研究了通過(guò)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(wèn)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)

14、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(kāi)零階貝塞爾函數(shù)法。結(jié)果表明:新方法（直接展開(kāi)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

15、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