基于卷积神经网络的水下湍流探测技术

针对水下湍流的复杂性和多变性对水下航行器性能和姿态控制产生的挑战,提出使用卷积神经网络来测量水下湍流的温差耗散率XT。首先,采用功率谱反演法和惠更斯-菲涅尔原理仿真生成了受水下湍流影响的散斑图像数据集。随后,利用卷积神经网络提取这些受湍流影响的散斑图像中的特征信息,并对温差耗散率XT进行估计。最后,通过现场实验数据集验证了所提出方法的可行性。实验结果表明,所提出的神经网络在实地实验数据集和模拟仿真数据集上表现出相似的分类精度和损失曲线,其测量准确率分别为98.8%和99.2%。这一研究为水下环境监测和资源勘探领域提供了重要的参考,对于光学图像处理和湍流研究等相关领域具有实际意义。

水下湍流对轨道角动量通信系统信道容量的影响

研究了水下湍流对轨道角动量(OAM)通信系统的性能影响,分析了不同环境参数和传输距离下OAM通信系统信道容量的变化.结果表明,水下湍流环境中随着传输距离、湍流动能耗散率和温度耗散率的增加,OAM态光束模式之间串扰加强,信道容量下降.当传输距离达到7 m左右,信道容量下降为原来的一半;当湍流动能耗散率为10^(-4)m^2/s^3,容量下降到理论最大值的75%;当温度耗散率为10^(-8)K^2/s,信道容量下降到理论上最大值的一半;水下环境中盐度扰动比温度变化扰动对OAM通信系统性能的影响更大。

水下湍流中温度、盐度对光学系统成像质量影响分析

针对湍流对水下成像系统的影响,基于Yao折射率起伏功率谱,推导了平面波的波结构函数,完善了水下光学成像模型,其优势在于将难以测量的微观参量如动能耗散率和温度耗散率,用平均温度和平均盐度等宏观参量代替。数值仿真了不同平均温度与平均盐度条件下水下湍流通过改变波前,进而对成像系统调制传递函数产生影响。仿真结果表明,平均温度与平均盐度升高,均会造成系统成像质量下降,进一步研究发现平均盐度增加,不同空间频率的调制传递函数值均线性下降,且下降幅度基本一致;随着平均温度升高,调制传递函数值线性下降,且高频成分的调制传递函数值下降得更快。为验证成像模型的正确性,设计搭建了3 m长的水下光学成像实验平台,利用相机记录分辨率板透过湍流的成像情况,得到不同平均温度与平均盐度条件下的调制传递函数曲线。对比实验与仿真结果发现,在平均温度10℃~30℃与平均盐度0 ppt~30 ppt范围内,对比度随平均温度与平均盐度变化趋势相同。该研究对水下光学成像系统的设计优化及水下图像处理具有一定的参考价值。

涡旋光束在水下湍流中传输的闪烁因子的实验研究

为了研究涡旋光束和高斯光束在水下湍流中的闪烁特性,搭建了一套含有水下湍流的实验系统,利用循环泵控制水槽内湍流的强弱,使用闪烁仪测量光束的闪烁因子.利用这套实验系统,详细研究了涡旋光束和高斯光束在水下传输时的闪烁因子.研究结果表明,涡旋光束和高斯光束的闪烁因子随着传输距离的增大而增大,并且随着水下湍流强度增大,涡旋光束和高斯光束对应的闪烁因子也越大.在12.6 m的传播距离内,拓扑电荷m=2的涡旋光束的闪烁因子远大于高斯光束的闪烁因子.另外,在不同强度的水下湍流中,拓扑荷数m=6的涡旋光束传播到5.4 m时,其径向闪烁因子都先减小然后再增大.此外,拓扑荷数m=6的涡旋光束经过一定距离的传播后,其闪烁因子低于拓扑荷数m=4的涡旋光束的闪烁因子.本文研究结果对探索涡旋光束在海洋湍流中的应用具有重要价值.

涡旋光束在不同盐度的水下湍流中的传输特性的实验研究

研究光束在海洋湍流中的传输特性尤为重要。为了更贴近实际情况,人工搭建了能控制水下湍流强度和盐度的装置来研究涡旋光束和高斯光束在水下湍流中的传输特性。结果表明:相比于未添加海盐的水下湍流,光束在增添海盐的水下湍流中传输光斑会更加弥散,光强会更弱。无论是强湍流还是弱湍流,m=2的涡旋光束在盐度为4.35‰的水下湍流中的闪烁因子都大于其在盐度为2.42‰的水下湍流中所对应的闪烁因子。另外,m=2的涡旋光束传输到相同的距离时,其闪烁因子随着水下湍流的盐度和强度的增大而增大。不同盐度条件下,m=2的涡旋光束的径向闪烁因子随径向距离的增大呈先减小后增大的变化趋势。另外,搭建了传输距离更长的实验装置,在20米的传输距离内,拓扑电荷m=2的涡旋光束的闪烁因子远高于高斯光束所对应的闪烁因子,且m=2的涡旋光束和高斯光束的闪烁因子都随着传输距离的增大而增大。

水下湍流连续相位屏生成的仿真研究

建立水下湍流多层相位屏的理论和模型是开展水下湍流研究的主要问题。考虑水下湍流的统计特性,通过三维协方差矩阵预测的方法进行了水下湍流的统计特性和连续性的模拟。提出重叠分配矩阵的方法,优化多层相位屏的模拟,分析了计算效率和湍流统计特性表征之间的关系。结果表明:重叠分配矩阵方法能有效提高单层相位屏的生成效率。三维协方差矩阵预测方法可以使相位屏具有层间相关性,其在单层相位屏内的统计特性也与理论符合较好,但是在小尺度和大尺度下与理论值有一定偏差。该研究将传统的独立多层二维相位屏拓展到了空间相关的多层相位屏,使得利用多层相位屏描述水下湍流更加符合物理实际。

基于外差干涉的涡旋光水下传输相位测量

涡旋光束在湍流介质中传输时,光束相位会受到湍流运动的影响产生畸变。采用了一种基于外差干涉的点像元相位提取方法,通过采集各个点在一个周期内的干涉条纹获得的相对相位,重构出涡旋光束经过水下湍流传输后的相位分布。通过功率谱反演法生成随机相位屏,完成不同湍流强度下涡旋光束的传输仿真,结果表明光束相位畸变随着湍流强度的增大而增加。搭建了实验装置,实现了水下环境的涡旋光传输及相位测量。实验结果表明,当涡旋光在存在湍流的水下传输时,其复振幅分布经历了较为复杂的传输过程,强度分布及相位均存在畸变,所采用的方法能精确测量出涡旋光的复杂相位分布,有效完成涡旋光的拓扑荷数识别。

拉盖尔-高斯涡旋光束在水下湍流中的传输特性

提出了一种基于涡旋光干涉条纹偏移检测的水下湍流识别方法。利用随机相位屏法对拉盖尔-高斯光束在湍流中的传输及干涉特性进行理论模拟。在此基础上,实验研究了不同拓扑荷数涡旋光束经湍流场后与高斯光束干涉所得条纹的偏移特性。实验及理论结果表明:在较强湍流环境中,拓扑荷数越大,涡旋光束传输能力越强;相同湍流强度下,拓扑荷数越大,干涉条纹位置偏移量越小;相同拓扑荷数涡旋光的干涉条纹偏移量随湍流强度的增大而增大。这表明,涡旋光干涉条纹偏移检测法可有效地检测湍流强度,识别舰船尾流。

气泡水平和温度梯度对水下鬼成像的影响

计算鬼成像(CGI)是一种有望降低水下湍流信道带来的负面影响的方法。然而,基于水下湍流信道的CGI传输系统的理论研究鲜有报道。本文研究了基于水下湍流信道的CGI和压缩感知计算鬼成像(CSCGI)系统的峰值信噪比(PSNR)性能和结构相似度(SSIM)性能。并选取两种典型的强度波动模型作为理论信道模型。所选模型的概率密度函数(PDF)分别服从指数广义Gamma分布(EGG)和指数Gamma分布(EG)。通过设置适当的气泡水平和温度梯度参数,我们获得了上述方案的PSNR性能和SSIM性能以及可视化成像结果。我们的工作为未来研究基于水下湍流信道的实际CGI和CSCGI系统提供了理论参考。

水下拉盖尔-高斯涡旋光束及其叠加态传输特性

通过实验研究了拉盖尔-高斯涡旋光束及其叠加态在水下湍流中的传输特性,充分考虑了不同温度差和盐度差的水流扩散产生的湍流对4种光束(高斯光束,阶数为0、拓扑荷数为6的拉盖尔-高斯涡旋光束,阶数为1、拓扑荷数为2与阶数为0、拓扑荷数为6的拉盖尔-高斯涡旋光叠加,阶数为1、拓扑荷数为2与阶数为0、拓扑荷数为10的拉盖尔-高斯涡旋光叠加)传输的影响,并对4种光束的漂移方差和闪烁指数进行深入讨论与分析。实验结果表明:随着湍流强度的增大,4种光束的漂移方差和闪烁指数都增大,相比其他3种光束,拉盖尔-高斯涡旋光束的漂移方差和闪烁指数较小;在较弱的湍流强度下,两种涡旋光叠加态的漂移方差和闪烁指数与拉盖尔-高斯涡旋光束相近。

涡旋光束的自适应光学波前校正技术研究进展(特邀)

涡旋光束携带了与其螺旋波前结构相关的轨道角动量,由于其在通信系统不增加带宽情形下可极大增加系统容量和频谱效率,引起了广泛关注。然而,自由空间中的湍流将导致涡旋光束的螺旋波前发生畸变,产生模间串扰,降低接收功率,从而削弱链路性能。自适应光学波前校正技术是克服干扰的有效手段之一。综述了涡旋光束的自适应光学波前校正技术的发展,阐述了Shack-Hartmann、随机并行梯度下降、Gerchberg-Saxton三种算法的校正原理,分析了深度学习在波前校正技术中的应用,并介绍了笔者课题组对水下湍流环境中波前校正技术的研究工作。