海洋湍流對雷射傳輸特性和光學成像的影響

《海洋湍流對雷射傳輸特性和光學成像的影響》是依託四川師範大學，由季小玲擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：海洋湍流對雷射傳輸特性和光學成像的影響
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：季小玲
• 依託單位：四川師範大學

項目摘要

隨著水下光通信、成像、感測和雷射雷達等套用的興起，水下環境對雷射傳輸和成像提出了新的挑戰。迄今為止，海洋湍流對雷射傳輸特性和光學成像影響的研究涉及甚少。與大氣湍流不同，海洋湍流是由溫度和鹽度變化引起水折射率起伏而造成的，其折射率起伏空間功率譜具有複雜的雙峰值結構。雙峰值結構的海洋湍流功率譜能夠比Kolmogorov功率譜更精確地預測光在海洋湍流中的傳輸行為。本項目擬研究內容：研究海洋湍流中的光波結構函式和光波空間相干長度（海洋光學中的關鍵科學問題）；修正水下光學成像模型，研究海洋湍流對光學成像質量和望遠鏡分辨本領的影響；利用室內湍流池模擬海洋湍流，並採用解析、數值模擬和實驗相結合的研究方法，尋找減小海洋湍流和熱暈對雷射束質量影響的途徑。本項目結果將提供海洋湍流中雷射傳輸以及光學成像的研究模型、方法和數值模擬軟體，揭示海洋光學中的新規律，為工作於水下湍流環境中的相關套用提供理論基礎。

結題摘要

隨著水下光通信、成像、感測和雷射雷達等套用的興起，水下環境對雷射傳輸和成像提出了新的挑戰。與大氣湍流不同，海洋湍流是由溫度和鹽度變化引起水折射率起伏而造成的，其折射率起伏空間功率譜具有複雜的雙峰值結構。本項目主要研究內容、重要結果及其科學意義如下：(1) 推導出了海洋湍流中光波結構函式和空間相干長度的解析公式。光波結構函式是研究海洋湍流對雷射傳輸和成像影響的關鍵。相關成果已在國際TOP學術期刊《Optics Express》上發表，並被選為該期刊封面論文。(2) 推導出了海洋湍流中Fried 參數的解析公式，並修正了水下光學成像模型。研究發現：粒子散射對成像質量退化的作用主要作用於低頻成分，而海洋湍流主要作用於高頻成分。相比於鹽度起伏占主導地位引起的海洋湍流，在溫度起伏占主導地位引起的海洋湍流中，海洋湍流相對於粒子散射對成像質量退化起更主要作用所對應的空間角頻率的頻段更高。(3) 研究了雷射在海水介質中傳輸的熱暈效應。研究發現：熱暈隨著海水鹽度的升高而加劇。相關成果已在國際TOP學術期刊《Optics Express》上發表。(4) 研究了海洋湍流中光閃爍特性。研究表明：在弱海洋湍流中，慧差要抑制孔徑平均光閃爍。(5) 研究了海洋湍流中球面波Rytov方差以及雷射雷達性能指標（單基和雙基系統的雙程閃爍因子、孔徑平均因子、平均信噪比和平均比特率）。(6) 研究了海洋湍流對自適應光學成像系統特徵參量（Strehl比、Greenwood時間常數和等暈角）的影響。(7) 推導了部分相干環狀偏心光束通過海洋湍流傳輸的光束高階矩以及海洋湍流參數的解析公式，揭示出了光束偏斜度和K參數在海洋湍流中的變化規律。(8) 推導出了海洋湍流中光波相位結構函式和達到角起伏以及脈衝寬度的解析公式。(9) 利用對流水槽實驗模擬研究了鹽水湍流的發生和演變，在夾卷層下部得到的光強起伏出現雙峰結構，體現了鹽度起伏的貢獻。相關成果已在國際TOP學術期刊《Optics Express》上發表。本項目所得研究結果不僅有理論上的創新性，而且可為工作於水下湍流環境中的相關套用提供理論基礎。