蓝绿激光海洋湍流及其下行信道传输特性研究

摘要

自蓝绿激光水下透光窗口发现以来，机载/星载激光对潜通信作为最有发展前景的技术之一，受到国内外广泛关注。目前限制激光通信发展的最主要因素是复杂的传输信道特征，包括大气信道，气海界面以及海水信道，相对于上述单一信道，激光在考虑泡沫覆盖粗糙海面的整体信道中传输特性研究较少；同时海水中伴随温度波动和盐度波动引起的折射率随机起伏而产生的海洋湍流对传输激光的影响成为近几年研究热点，相对于单束相干光束，部分相干光束及其阵列具有一定的抗湍流效应，因此深入研究其在海洋湍流中的传输特性具有重要意义。基于此，本文重点研究了海洋湍流对部分相干光束阵列传输特性的影响。同时定量分析了不同海况条件下，激光通过下行信道的能量衰减特性。
　　论文首先介绍了海洋湍流模型，系统分析了湍流参数(动能耗散率ε、温度方差耗散率χT、温度梯度与盐度梯度比值ω)对湍流的影响，结果表明，不同于大气湍流中温度对湍流的影响特征，海洋湍流中盐度对湍流的影响数倍于温度的影响。通过搭建激光液体湍流传输模拟实验，进一步验证了湍流对传输激光的影响，也为进一步的理论验证提供实验条件。根据广义惠更斯-菲涅尔原理，研究了湍流参数对相干与非相干合成GSM阵列光束平均光强以及空间相干性的影响，结果表明，在不同湍流强度下，其影响距离在几十米到几百米之间。通过计算海洋湍流环境中高斯光束，GSM光束，高斯阵列，GSM阵列的平均光强和光束展宽，进一步证明了部分相干光束阵列在海洋湍流中的传输优越性。同时对于EGSM阵列光束，研究了其通过海洋湍流的空间相干特性以及偏振特性，结果表明：当传输距离较近时，光源初始状态对光束相干及偏振特性起决定作用，随传输距离增加，光束的相干与偏振特性将由光束初始状态，湍流强度以及湍流路径累积效应共同决定。
　　基于Mie散射及粗糙面散射理论研究了蓝绿激光通过海雾，泡沫覆盖粗糙海面以及叶绿素垂直非均匀分布的海水信道的能量衰减特性，结果表明：激光下行信道传输中，叶绿素对激光功率的影响最为显著。在海水中传输距离100m接收平面处，不同叶绿素浓度分布会引起-59dB~-110dB的能量衰减，其对激光功率的衰减效应远大于海洋湍流；其次，在风速及能见度较小的浓雾下，激光功率具有相对较大的衰减，在100m的接收平面处，浓雾(V=100m)相较于薄雾(V=1000m)激光透过率极值低约10.7dB。而当能见度达到一定范围(V=500m)，风速变化带来的海面粗糙度变化以及覆盖泡沫主要对激光透射角域产生显著影响，同时对激光功率的透射极值产生一定影响。

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第一章 绪论

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3论文研究内容及结构安排

第二章 激光海水传输基本理论和方法

2.1海洋湍流概述

2.2激光湍流传输模拟实验

2.3海水介电特性

2.4随机介质中光传播光场描述以及研究方法

2.5本章小结

第三章 阵列光束在海洋湍流中的传输特性

3.1光束模型

3.2海洋湍流中相干与非相干合成GSM阵列光束的CSDF

3.3 GSM阵列光束在海洋湍流中的传输特性计算分析

3.4海洋湍流中相干合成EGSM阵列光束的CSDM

3.5 EGSM阵列光束在海洋湍流中的传输特性计算分析

3.6本章小结

第四章 激光下行信道能量衰减特性

4.1激光通过海雾透过特性

4.2激光通过气海界面透射特性

4.3海水信道中粒子衰减

4.4蓝绿激光下行信道能量衰减特性

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1主要研究工作总结

5.2研究展望

参考文献

致谢

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