异常涡旋光束在吸收性海洋湍流中的传输特性研究

为了分析海水的吸收和湍流特性对涡旋光束传输性能影响,在同时考虑海水的吸收效应和湍流效应的基础上,推导出了异常涡旋光束的轨道角动量(OAM)模式探测概率的解析表达式,并详细讨论了吸收性湍流海水对异常涡旋光束的螺旋相位谱、探测概率以及串扰概率的影响。仿真结果表明:海水的吸收效应不可忽略,它会导致探测概率下降;吸收性海洋湍流会导致螺旋相位谱扩展,并且随着OAM模式数的增加,螺旋相位谱的扩展程度变大;随着海洋湍流的温度方差耗散率、温度与盐度贡献比的减小,以及湍流动能耗散率的增大,OAM模式的探测概率增大,串扰概率减小。

弱风条件下斜程海洋湍流中涡旋光束的传输特性

光束在海洋介质中传输会极大地受到海洋湍流的影响。此外,涡旋光束轨道角动量的复用会极大地提高系统容量,因此研究涡旋光束在海洋湍流中的传输具有重要意义。在水平海洋湍流理论基础上,创新性地构建了斜程路径上海洋湍流相位屏模型,以相位结构函数为依据验证了海洋湍流相位屏的准确性,根据多相位屏法搭建准直高斯涡旋光束在海洋湍流中的上行传输链路模型。数值模拟并分析了不同天顶角、海洋湍流内外尺度及拓扑荷数等其他海洋湍流参数对准直高斯涡旋光束经海洋湍流上行传输的光强及相位分布、光束漂移、轴上闪烁指数和长曝光光斑半径的影响。结果表明:涡旋光束的拓扑荷数越小、天顶角越小,光束受到湍流的影响越大;在海洋湍流上行传输链路中,准直高斯涡旋光束的光束漂移、轴上闪烁指数及长曝光光斑半径随海洋湍流外尺度的增大而增大,且主要受传输距离的影响;理想情况下,取海洋湍流外尺度为无穷大,会高估湍流对光束的影响;由于涡旋光束的本身特性,拓扑荷数对光强及相位分布和长曝光光斑半径的影响也较为显著。

递进式N×N型采样方式次谐波海洋湍流相位屏模拟方法

以N×N型采样方式次谐波法为基础,引入了递进式采样,提出了一种递进式N×N型采样方式次谐波法,用于数值模拟海洋湍流相位屏。该方法利用Nikishov提出的海水折射率波动谱模拟海洋湍流相位,通过相位结构函数和补偿效果验证该方法生成相位屏的准确性。通过改变递进区域个数、补偿阶数和谐波次数,比较分析相位屏参数对改变对相位屏准确性的影响。此外,将所提方法与N×N型采样方式次谐波法、改进的次谐波补偿法和改进的次谐波法进行比较。结果表明:递进式N×N型采样方式次谐波法只需谐波次数为11时,补偿效果即可达到0.9995,并且在准确度相同的情况下具有更快的模拟速度。

径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束在海洋湍流中的传输特性

采用分步相位屏的方法,研究了径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束在海洋湍流中的光强特性和闪烁特性.研究发现,径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束传输一段距离后,其中心区域光强受自身特性的影响;对于不同强度的海洋湍流,随着均方温度耗散率的增大,光束所对应的轴上区域的闪烁因子也越大.相较于线偏振光束和径向偏振光束,径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束在海洋湍流中的传输受湍流的影响较小.研究还发现,传输一段距离后,径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束(n≥1)的拓扑荷数越高,光束所对应的闪烁因子越小.另外,相对于径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束(n≥1),拓扑荷数n=0的径向偏振零阶贝塞尔-高斯涡旋光束具有较低的闪烁因子.

海洋湍流下双拉盖尔-高斯涡旋光束的闪烁指数与误码率研究

采用功率谱反演法模拟了同轴叠加产生的双拉盖尔-高斯涡旋光束(Double Laguerre-Gaussian Vortex Beam,DLGVB)在海洋湍流中传输时的光强和相位分布,仿真分析了DLGVB光束在不同海洋湍流参数下的闪烁指数以及在基于开关键控调制的水下光通信系统中的通信误码率。结果表明,随着湍流动能耗散率的减小,盐度温度波动平衡参数、温度方差耗散率及传输距离的增加,闪烁指数逐渐增加;随着湍流动能耗散率以及拓扑电荷差值的增加,误码率减小。在海洋湍流环境下,使用DLGVB光束进行传输可以抑制海洋湍流带来的干扰,选择最佳的拓扑电荷差值,可以有效提高传输通信质量及通信系统容量。本文研究结果对涡旋光束及其叠加态在海洋湍流下传输特性研究及水下光通信系统持续扩容的发展需求方面具有重要的参考价值。

扭曲的涡旋光束在海洋湍流中的传输因子

基于扩展惠更斯-菲涅尔原理和维格纳分布函数(Wigner distribution function,WDF)二阶矩,推导了部分相干扭曲涡旋光束(partially coherent twisted vortex beam,PCTVB)在海洋湍流中传输时的M2因子和角扩展θ(z)。通过数值模拟方法详细研究了海洋湍流对光束M^(2)因子和角扩展θ(z)的影响,结果表明温度方差耗散率Χ_(T)和温度盐度贡献比w越大、动能耗散率ε和各向异性因子ξ越小时对PCTVB的M^(2)因子和角扩展θ(z)的影响越大。此外研究发现,相较于非扭曲涡旋光束(PCVB),PCTVB有更好的抗海洋湍流的能力,且增大拓扑荷数m以及扭曲因子绝对值|μ|后,PCTVB的M^(2)因子和角扩展θ(z)显著减小,光束的抗海洋湍流能力增强。并且增大束腰宽度w0和波长λ,以及减小初始相干长度δ_(ηη)(η=x,y)同样可以增加光束抗海洋湍流的能力。本文的数值研究结果对海洋光通信具有重要意义。

随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中的传输特性

利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式得到了随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中传输的交叉谱密度矩阵的一般表达式,通过数值计算主要研究了随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中传输时其在远场输出面的统计特性的变化,包括归一化光谱强度、光谱偏振度、两点的光谱相干度等.数值模拟结果显示海洋湍流能够对随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束的归一化光谱强度分布产生影响,随着传输距离的增加,零阶Bessel-Gaussian光束中心出现凹陷,高阶Bessel-Gaussian光束中心会变平坦继而又凹陷下去,不管零阶还是高阶,当传输距离增加到足够远,光强分布都会演变成最终的类高斯分布.x轴上各点的偏振度改变与相干长度δ_(xx),δ_(yy)以及海洋湍流参数有关.x轴上任意一点和原点这两点的光谱相干度也随x的增加而呈振荡变化,并且海洋的均方温度耗散率χT对光谱相干度有影响.

汉克-贝塞尔光束在海洋湍流信道中的螺旋相位谱分析

携带轨道角动量的汉克-贝塞尔(Hankel-Bessel,HB)光束具有无衍射和自聚焦特性,用来作为信息传输的载体有望增大信息传输容量.基于Rytov近似理论,推导得到了HB涡旋光束经过海洋水平弱湍流信道后的螺旋相位谱的解析表达式,并利用数值仿真方法研究了海洋湍流参数对轨道角动量模式探测概率的影响.结果表明,海洋湍流导致发射轨道角动量模式的探测概率下降,出现模式串扰和螺旋相位谱扩展.海洋湍流对HB涡旋光束的负面影响随着轨道角动量模式数、传输距离、温度方差耗散率的增加而增强,随湍流动能耗散率的增加而减弱.HB涡旋光束受以盐度波动驱动的海洋湍流的负面影响更大.另外,在弱湍流及几十米传输距离条件下,HB涡旋光束的传输性能要差于最佳束腰大小设置的拉盖尔-高斯涡旋光束.这些结果有望为海洋环境水下光通信链路的实现提供一定的参考价值.

部分相干环状偏心光束通过海洋湍流的传输特性

推导出了部分相干环状偏心光束在海洋湍流中传输的平均光强和光束质心位置的解析表达式,并给出了最大光强位置满足的传输方程.研究发现:经足够长距离传输后,在自由空间中最大光强位置比光束质心更靠近传输z轴,并且其位置随着光束相干参数的增大而靠近传输z轴,随着光束偏心参数和遮拦比的增大而远离传输z轴.但是,在海洋湍流中最大光强位置趋于质心位置,并且海洋湍流的增强会加速最大光强位置趋于质心位置的进程.在海洋湍流中光束的相干性对光束传输特性的影响明显减小.另一方面,光束质心位置与光束的相干性、光束传输距离以及海洋湍流均无关系,并且光束质心位置随着光束偏心参数和遮拦比的增大而远离传输z轴.所得结果对工作于水下湍流环境中的部分相干环状偏心光束的应用具有重要意义.

海洋湍流数据实时压缩方法研究

海洋湍流因具有随机性特点,目前多采用统计学理论进行研究,因此需要获取大量的湍流观测数据,这给湍流观测设备的数据存储和传输带来挑战。针对上述问题,本文在分析海洋湍流数据特征的基础上,提出了一种高效实时的无损数据压缩方法。以大量的湍流数据增量信息作为数据源构建霍夫曼编码表,并以此作为湍流压缩和解压的字典,从而提高了压缩效率。通过对历史海洋湍流数据进行压缩实验,证明该方法的湍流数据压缩比低至 25%,并且具有压缩速度快、处理器占用率低等特点。

非均匀辛格相关蓝绿激光波束通过海洋湍流的传输特性

根据广义惠更斯-菲涅尔原理,建立了非均匀辛格相关蓝绿激光波束在海洋湍流中的传输模型。基于交叉谱密度函数,讨论了不同传播距离下波束光强变化。数值计算了波束光强和光强最大值横向偏移受海洋湍流参数的影响。结果表明,传播距离和海洋湍流参数对非均匀辛格相关蓝绿激光波束的光强自聚焦现象有一定影响。当传播距离一定时,温度均方耗散率对光强自聚焦的影响大于湍流动能耗散率和温度盐度波动相对强度。

海洋湍流下OAM光通信仿真实验设计

水下光通信UWOC具有传输速率高、容量大等特点,轨道角动量OAM具有空间螺旋相位分布特性,为水下光通信提供了空间自由度这一新的信息调制维度。该文建立了水下光通信系统下的海洋湍流随机相位屏模型,设计了海洋湍流下OAM光通信仿真实验,仿真验证了OAM作为信息载体的可行性,并为将其应用于通信系统实验教学与研究提供参考。

弱海洋湍流中高斯光束的到达角起伏特性

海洋湍流引起的到达角(AOA)起伏是影响水下通信和成像系统性能的关键因素。基于通用的海洋湍流光功率谱(OTOPS),文章采用适用于弱湍流条件的Rytov近似方法推导出高斯光束的波结构函数(WSF)以及AOA起伏方差的全区间解析解,并就上述物理量及空间相干半径(SCR)在大间距(ρ?η,其中,ρ为间距,η为Kolmogorov微尺度)和小间距(ρ?η)渐近区间内的近似解进行了讨论。数值结果表明,当ρ?η时,现有结果在菲涅尔比Λ0=1附近存在较大偏差。在此基础上还分析了AOA起伏方差与ρ/η的关系。在渐近区间ρ?η内,AOA起伏方差几乎不变;当处于区间ρ≈η时,AOA起伏方差急剧减小;当处于渐近区间ρ?η时,AOA起伏方差的下降速度变得逐渐平缓。文章推导得到的结果更加准确并且适用范围更广,利用这些结果可以更好地研究高斯光束在弱海洋湍流中的传播特性。

反射式鬼成像在海洋湍流中的成像分析

基于惠更斯-菲涅尔原理和鬼成像理论,研究了反射式无透镜鬼成像在Kolmogorov海洋湍流中目标成像问题,得到了成像脉冲响应函数和可见度理论表达式。结果表明随着目标随机反射角的增大,关联重构的图像质量将会失真退化.为进一步分析海洋湍流对目标图像质量的影响,数值模拟了不同探测距离、不同海洋湍流情况下鬼成像的可见度,得到了海洋湍流作用下的鬼成像目标探测规律.该研究对远距离自适应水下鬼成像大规模应用具有重要的理论指导意义.

Gamma Gamma强海洋湍流和瞄准误差下水下无线光通信系统的性能研究

采用外差式差分相移键控(Differential phase-shift keying,DPSK)调制的水下无线光通信(Underwater wireless optical communication,UWOC)系统经过Gamma Gamma强海洋湍流信道传输,当接收端与发送端之间存在瞄准误差并采用孔径接收方式时,分析了湍流效应和瞄准误差对接收光强的抖动影响,推导了UWOC系统的平均误码率(Bit error rate,BER)和中断概率(Outage probability,OP)的解析表达式。数值模拟研究了不同的瞄准误差、束宽、接收孔径和海洋湍流参数对平均BER和OP性能的影响。结果表明,在相同的束宽和信道环境下,瞄准误差越大,系统性能越差;光束束宽与孔径半径之比越大,接收孔径直径越大,系统性能越好;另外,选择较小的温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值ω和均方温度耗散率χT,以及较大的湍流动能耗散率ε和动力粘度u的海洋湍流环境也有利于获得较好的系统性能。

海洋湍流中光波特征参量和短期光束扩展的研究

Nikishov等建立的海洋湍流功率谱模型中,假设了海水有着稳定的分层.但是,实际海水通常不是稳定分层的,温度与盐度的涡流扩散率是不相等的. 2017年, Elamassie等建立了考虑这些因素的更合理的海洋湍流功率谱模型.湍流介质中光波空间相干长度等基本特征参量在表征湍流强度和光传输相位校正技术等方面起着重要作用.本文基于Elamassie海洋湍流功率谱模型,重新推导出了海洋湍流中光波结构函数、光波空间相干长度和Fried参数的解析公式,并校验了所得公式的正确性.研究发现:当温度变化引起的光学湍流占主导地位时, Nikishov海洋湍流功率谱模型把湍流强度低估了;当盐度变化引起的光学湍流占主导地位时,Nikishov海洋湍流功率谱模型把湍流强度高估了.基于Elamassie海洋湍流功率谱模型,本文推导出了高斯光束短期光束扩展的半解析公式,并验证了其正确性.研究还表明:海水稳定分层与否,短期光束扩展差异很大.本文研究结果对水下湍流环境中的光通信、成像和传感等应用具有重要意义.

高斯-谢尔模型光束在海洋湍流中偏振传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳衍射原理和光束的偏振相干统一理论,研究了高斯-谢尔模型光束在Kolmogorov海洋湍流中传输时偏振特性的变化规律,得出了保持偏振特性不变时的条件.在此基础上,研究了完全偏振线偏振光与圆偏振光在海洋湍流中的偏振传输特性,结果表明:在Kolmogorov海洋湍流下,完全偏振的高斯-谢尔模型光束的偏振特性不受海洋湍流影响.

海洋湍流中的量子高斯-谢尔光束偏振模型（英文）

研究湍流对海水光通信信道中传输的量子高斯-谢尔光束偏振度的影响.运用量子化场的惠更斯-菲涅尔原理,构建湍流海水中量子化高斯谢尔光束的产生和湮灭算符.基于海水折射率的空间功率谱,导出了量子高斯-谢尔光束的偏振度.数值结果表明:在参数给定条件下,温度与盐度的比值从-4.5变化到-0.5时,偏振度从0.75下降到0.20;接收光子数从20提高到50时,偏振度从0.91提高到0.96;光源横向尺寸从0.02m增大到0.12m时,偏振度从0.82提高到0.97;温度起伏对偏振度的影响高于盐度起伏的影响;提高发射光子数和增大发射孔径是扼制湍流干扰的有效方法.

RegCM4.3气候模式引入新的海洋湍流参数化方案对中国夏季降水模拟的影响

将一种用于全球气候模式的海洋湍流参数化方案引入到区域气候模式RegCM4.3中,分别使用两种方案进行气候模拟.分析对比了1996-2009年,两种方案对中国夏季风场、降水量等模拟结果的影响,并与欧洲中期数值预报中心的再分析资料、站点观测降水资料进行了对比分析.结果表明,新方案对东亚夏季西南季风和东南季风的模拟效果有所改善,并提高了中国夏季降水的模拟效果.

非均匀偏振光束在海洋湍流中的光强特性

为了研究非均匀偏振光束在海洋湍流中的光强特性,采用广义的惠更斯-菲涅耳原理,得到非均匀偏振光束经过海洋湍流传输后的光强分布,并对非均匀偏振光束在海水中传播的传输特性进行了研究。结果表明,非均匀偏振光束的参量n和K越大,其光强分布偏离高斯分布越明显,但随着传输距离的增大,海洋湍流对光束的影响也增大,光强分布又回到高斯分布;随着均方温度耗散率χT或温度与盐度波动的相对强度w的增大,或者单位质量液体中的湍流动能的耗散率ε的减小,非均匀偏振光束的光强分布就会更趋于高斯分布。该研究结果在海洋光通信以及成像方面存在潜在的应用价值。