海洋湍流相位屏模型及该模型下OAM光束传输特性研究

摘要

海洋湍流是影响激光在海水介质中传输的重要因素之一。随着水下雷达探测、水下激光传输、水下通信等技术的兴起，海洋湍流中激光传输特性的研究十分重要。为了方便水下激光传输特性的研究，海洋湍流模型的建立是必不可少的。论文研究海洋湍流随机相位屏模型以及在该模型下的轨道角动量光束的传输特性。主要工作如下： 首先，参考大气湍流随机相位屏模型的构造方法，使用功率谱反演法，给出海洋湍流随机相位屏模型的数学表达式。结合海洋湍流相位结构函数以及轨道角动量（orbital angular momentum，OAM）光束的传输特性（探测概率）对所构建的海洋湍流随机相位屏模型进行验证。结果表明所构建模型相位结构函数在高频部分与理论值相符，OAM探测概率与参考文献给出的理论值相吻合，验证了所提模型的有效性。在此基础上，针对功率谱反演法低频成分缺失问题，通过叠加低频次谐波的方法改善相位屏的统计特性。结果表明，叠加4级低频次谐波，相位屏的相位结构函数和理论值会基本符合。 其次，光束的轨道角动量态作为一种新型自由度，将其应用在光通信中，将会极大地提高信息传输速率。因此，研究OAM光束在海水介质中的传输特性对水下OAM复用通信具有重要意义。使用所构建的海洋湍流随机相位屏模型数值模拟了拉盖尔-高斯光（Laguerre-Gaussion Beam）和贝塞尔-高斯光（Bessel-Gaussian Beam）两种模式的轨道角动量光束在海水介质中的漂移特性、闪烁特性和探测概率。数值仿真结果表明：贝塞尔高斯光在漂移特性方面要优于拉盖尔高斯光；而在闪烁特性方面，两种光束基本一致；贝塞尔高斯光束经过海洋湍流后的探测概率要略高于拉盖尔高斯光。

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绪论

第二章 海洋湍流及轨道角动量基础理论

2.1海洋湍流基础理论

2.2 轨道角动量基础理论

2.3激光传输数值模拟方法基础理论

2.4本章小结

第三章 海洋湍流随机相位屏模型构建

3.1 基于功率谱反演法海洋湍流随机相位屏建立

3.2 模型的改进

3.3轨道角动量光束传输特性验证

3.4本章小结

第四章 轨道角动量光束海洋湍流传输特性

4.1 轨道角动量光束在海洋湍流中的漂移特性

4.2 轨道角动量在海洋湍流中的闪烁特性

4.3 轨道角动量海洋湍流探测概率

4.4本章小结

第五章 总结和展望

5.1.本文工作总结

5.2下一步工作

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参与的项目

致谢