水下视频监控系统光场分布与成像效果研究

水下生产系统长期在水下工作运行,会出现落物抛锚、海底腐蚀等现象,导致系统发生失效,因此进行深海视频监控系统研究,以便对水下生产系统的运行状态进行实时监测。基于对深海视频监控系统的工作环境进行分析,结合技术指标对深海视频监控系统进行方案研究;根据水下光学特性建立水下照明光场分布函数,得到影响照明灯输出光通量的因素;考虑在水下可见光散射作用下摄像机成像所需要照明灯输出的光通量确定摄像机和照明灯的位置分布;通过计算图像对比度和信噪比得到深海视频监控系统的有效观察范围,最后通过试验证实摄像机与照明灯夹角为60°时得到最好的成像效果。研究结果可为固定式水下视频远距离全视景成像系统的设计提供参考。

水下集鱼灯在近海水体中的光场分布数值模拟

为提高水下集鱼灯光场分布计算精度,本实验采用集鱼灯光谱数据、光度分布数据和海水固有光学参数,基于蒙特卡罗模拟方法构建了新的光场传输数值模拟方法,将光束能量离散成大量光子,通过追踪光子路径计算水下集鱼灯形成的光场强度,并开展水槽实验对计算方法进行了验证。同时,提出了新的集鱼灯光场分布评价指标Ids和Ads。利用模型分析了海水的叶绿素a质量浓度、散射作用类型和散射相位函数HG(Henyey Greenstein)中非对称参量g的取值对水下光场分布的影响。结果显示,①叶绿素a质量浓度从1mg/m3增加到5 mg/m3,LED集鱼灯A5m减少了72.73%,MH集鱼灯A5m减少了72.17%;LED集鱼灯I5m减少了66.69%,MH集鱼灯I5m减少了53.29%。②当海水介质引起的散射类型分别为米氏散射和瑞利散射时,MH集鱼灯I5m分别为1058.48和1020.5 lx,LED集鱼灯I5m分别为1057.96和992.42 lx。③非对称参量g从0.80增加到0.99,MH集鱼灯的A5m增加了22.05%;LED集鱼灯的A5m增加了23.10%;MH集鱼灯形成的I5m增加了16.61%;LED集鱼灯形成的I5m增加了14.52%。研究表明,近海水体中叶绿素a质量浓度、HG散射函数中非对称参量对集鱼灯光场分布有显著影响,散射类型对集鱼灯光场分布无显著影响。本研究提出的数值模拟方法可准确计算近海水体中集鱼灯光场分布,为渔业监管和集鱼灯合理应用提供科学依据。

二极管阵列侧面泵浦固体激光介质的光场分布

研究LD阵列侧面泵浦Nd:YAG激光器泵浦光场的分布特点。首先,在已建立的二极管单bar单侧面泵浦YAG晶体泵浦光场分布数值模型的基础上,进一步建立了适用于激光二极管阵列多侧面泵浦YAG晶体的泵浦光场分布数值模型。然后,根据所建模型,采用光线追迹的方法,借助Matlab编程模拟了单侧面、二侧面、三侧面、五侧面泵浦方式的泵浦光分布特点,分析了系统参数:介质半径、介质吸收系数、光束光腰半径、泵浦距离、二极管bar间距、介质表面粗糙程度对泵浦光分布特性的影响,总结出了一般规律。可为二极管泵浦固体激光器的结构设计和实验研究提供理论参考。在理论分析的基础上,进行了单侧面、二侧面泵浦方式的二极管阵列直接侧面泵浦固体激光器的实验研究。实验结果与理论分析结果基本相符,验证了所建数值模型的正确性。该数值模型的特点是:采用光线追迹方法;适用于漫反射表面工作物质;适用于多种侧面直接泵浦方式,具有可扩充性。

平面光波导光场分布的有限时域差分法计算

用有限时域差分法计算了简单三层对称平面光波导中的光场 ,得到了任意截面上光场的分布 .这一方法的优点在于它能完全模拟波导中光场的时域特性 ,使波导中的光传播完全可视化 ,模拟横向传播 ,提取光在波导中的传输模式 ,也可用于有源波导的计算如光波导放大器 .有限时域差分法直接求解依赖时间的麦克斯韦旋度方程 ,利用二阶精度的中心差分近似 ,把旋度方程中的微分符直接转换为差分形式 .每一步计算都无须作矩阵求逆运算 ,因此 ,比其他数值计算方法更有效。

菲涅耳衍射光场分布的数值计算与数字重构

本文研究了光场分布的数值计算与数字重构方法。从光的菲涅耳衍射、波前相位重构入手,对连续信号进行了离散化处理,给出了数值计算公式.对光波通过矩形孔径、圆形孔径传播后的光场分布和干涉全息图的波前重构进行了数值计算.仿真结果表明数值计算更加直观地展现了光的特性,并提供可视化的验证.

半导体激光器矢量光场分布研究

为了实现在利用衍射光学器件整形半导体激光器时,得到半导体激光器各个电磁分量的分布,且该分布能够在较近的距离上仍然适用的目的,采用基尔霍夫衍射理论和非傍轴条件下的菲涅耳近似理论推导和MATLAB语言编制相应的数值计算程序的方法,得到半导体激光器各电磁分量分布的结果。结果表明,除在特殊方向上,半导体激光为TM波和TE波的混合模,数值程序实现了计算不同距离上半导体激光器各个电磁分量的分布情况的功能。这对设计和分析半导体激光器衍射整形光学器件具有重要意义。

变反射镜谐振腔光场分布的三维数值计算

在几何光学的基础上设计了变反射镜谐振腔激光器 ,并利用衍射光学理论 ,将腔内光束模式满足的方程表为易于通过快速傅里叶变换迭代求解的形式 ,以高斯型、超高斯型变反射镜为例 ,求出激光在反射镜、输出镜、近场、远场光场分布的三维数值解 。

平面光波导放大器中光场分布的一种计算方法

用交变隐式差分方向的时域有限差分法 (ADI FDTD)计算了掺Er3 +玻璃平面光波导放大器中光场的分布 .其算法简单 ,结果无条件稳定 。

对称共焦腔激光器横模光场分布的仿真研究

对方形和圆形腔镜对称共焦腔的横向光场分布进行了仿真研究,能够模拟任意横模的横向光场分布,而且能够对不同横模混合后的横向光场分布和光腔中的行波场进行模拟,并绘出光强分布和振幅分布的二维或三维图形。编写了简明的用户界面,能够选择腔镜类型、光腔参数、仿真对象等,使激光器横向光场的仿真可视化、简单化,有助于学生理解和掌握激光器横模的光场分布规律。

光诱渔船金属卤化物集鱼灯海面光场分布计算方法优化研究

蒙特卡罗模拟是一种有效的计算光场分布的数值模拟方法,通过将光束离散成大量光子,追踪光子路径计算目标区域的光照强度。为准确计算集鱼灯的海面光场分布情况,以金属卤化物集鱼灯为例对蒙特卡罗模拟求解过程中的光子数取值和光子辐射模型展开分析和优化。针对光子数取值问题,通过设定不同光子数进行数值模拟,探讨光子数差异对模拟结果稳定性的影响。针对光子辐射模型问题,根据灯具光度分布数据提出光子辐射优化模型,通过实测数据进行验证。结果显示:(1)模拟光子数取值越大,模拟结果的稳定性越好;以与灯具水平距离5 m的计算点为例,当取值设为10^(8)时结果的差异系数为0.07%,光子数取值继续增加至10^(10),则差异系数为0.05%;(2)模型优化后,模拟计算结果与实测的相对误差均值从0.0512减少至0.0453。此外,应用优化模型计算了渔船在实际作业环境的光场照度情况,计算结果与实测值的平均误差约为0.0523。

基于光场分布的光学邻近效应校正

本文基于改善光场分布的考虑，在掩模上添加了适当的散射条和抗散射条，成功地改善了像面的光场分布，达到了光学邻近效应校正的目的。

辽东湾海冰后向光场分布的研究

海冰光场分布特性的研究是冰区大气—海冰—海洋能量交换和生物特性研究的基础,通过设计"L"型辐亮度探头,运用自主研发的海冰高光谱辐射仪器于国内首次现场测量了辽东湾海冰内部光场的分布特性,研究发现海冰表层5 cm至底层在水平方向上光场各向同性,进而认为在所观测站点的附近,采集冰块测量光场分布不依赖于海冰侧表面的选择。采集海冰于现场建立的暗房内,研究发现相对辐亮度随着深度的增加呈渐近性分布减小,多重散射的影响随光程增加而增强,导致辐亮度对散射角的依赖逐渐减小,说明海冰是一种高散射特的物质。本文建立的海冰光场分布模型,可描述海冰内部任意深度和光传播方向的相对辐亮度,对海冰辐射传输研究具有一定的参考意义。

自发参量下转换过程光场分布

单光子的产生与测量在量子物理、量子信息研究中都有非常重要的意义。本文利用中心波长为 85 0nm的飞秒脉冲二次谐波 4 2 5nm泵浦I类非共线相位匹配BBO晶体 ,获得非共线简并自发参量下转换 (SPDC)光。实验测量了下转换光的空间分布、光子数分布和符合计数率。并进一步通过符合计数方法测量了获得单光子的几率。

LiNbO_3光波导输出光场分布的测量

介绍了用二维扫描振镜测量LiNbO3光波导输出光场分布的方法。分析了影响测量准确性与空间分辨率的因素。同CCD摄像法比较，该方法具有更广的波长适应性。

用FD-BPM模拟不同折射率下光纤的光场分布

利用有限差分光束传播法(FD-BPM)模拟出在不同折射率下的均匀光纤、锥形光纤及光纤对接中的光场分布,着重分析光纤的不同折射率分布对光纤传输能量以及光纤传输中造成能量损耗的影响,为研究不同折射率下光纤的能量传输特性奠定了理论基础.

基于光场分布特性分析的高功率激光吸收体设计方法研究

高功率激光装置需要利用激光吸收体实现对杂散光的有效管控。然而吸收体受光面交界处极易发生激光损伤,可能导致激光装置内部的洁净环境受到污染。为了解决这一问题,基于有限元分析方法,模拟了高功率激光吸收体受光面交界处在包括无过渡、圆弧过渡和平面过渡等不同过渡条件下介质内部的光场分布,分析了吸收玻璃界面对光场的影响,得到了介质内部光场峰值强度及峰值位置的变化规律。结果显示:吸收体的损伤可能是由于过渡面为曲面导致的。研究工作为吸收玻璃的激光损伤研究和吸收体设计提供参考。

高阶模高斯光束入射时透镜光轴上的光场分布

应用惠更斯－菲涅耳原理和薄透镜的傅里叶变换性质，对柱对称高阶模高斯光束入射时透镜光轴上的光场分布进行了分析，得到了光场复振幅分布的一般表达式。

半球形和超半球形固体浸没透镜光场分布比较

考虑了在固体浸没透镜(SIL)的球面表面的反射,应用矢量衍射理论比较分析了半球形固体浸没透镜(h-SIL)和等光程的超半球形固体浸没透镜(s-SIL)的透射场分布。h-SIL和s-SIL的分辨力、焦深、聚焦强度和随波长的色散被详细比较。计算结果发现:当它们被包围在空气中时,s-SIL的分辨力比h-SIL的大n倍以上(n是SIL的折射率);s-SIL的聚焦强度比h-SIL的大,但它的焦深比较小。s-SIL的横向色散率远大于h-SIL的,但h-SIL的轴向色散率与s-SIL的几乎相等。h-SIL的横向色散很小,可以忽略不计。

基于FFT算法的激光有源非稳腔光场分布数值计算方法

在激光器应用中,激光发散角是重要的技术指标,可由光场分布得出。非稳腔由于易于实现高光束质量输出的优势,是激光器的常用腔型。为了快速获得有源非稳腔激光器的光场分布,提高激光器设计仿真效率,在参考了现有激光器谐振腔数值算法的基础上,建立了一种基于快速傅里叶变换算法的有源谐振腔光场分布计算模型;基于该模型,开展了有源非稳腔的谐振腔特性研究,重点分析了小信号增益分布、输出镜反射率分布及谐振腔的腔镜失谐等因素对激光器光场分布的影响,并量化分析了上述参数对激光器发散角的影响;同时,通过搭建激光器样机,获得了激光输出光斑分布、失谐发散角参数等试验结果,并与光场分布计算模型的计算结果进行了对比分析,认为两者的光斑分布及发散角随腔镜失谐角度变化的趋势大致相同,验证了光场分布计算模型的正确性。因而,在有源谐振腔设计中,应用文章中建立的计算模型,可以对激光器的泵浦设计、腔镜参数选择等提供直观、量化的参考。

FDTD编程模拟光波导光场分布的数值不对称的校正方法

以条形光波导为例,研究了用时域有限差分(FDTD)法编程模拟波导光场分布时的数值不对称性,及其对模拟计算造成的影响,提出了两种合理的解决方法,成功消除了数值不对称现象对正常模拟的干扰,通过在波导光场FDTD模拟中的实际应用,分析了每种方法的特点及欠缺,分别论证了它们在数值模拟中的应用价值,并阐明这两种方法对于任意形状光波导光场的FDTD模拟是普遍适用的。