基于涡旋光束干涉特性的水下湍流探测研究

论文摘要

随着海洋资源的不断开发和海洋国防意识的不断明确,对海水中动态目标的探测和舰船目标的尾迹追踪成为了一个重要的研究课题。针对水下湍流场的探测与识别在近年来逐渐成为人们关注的热点领域,水体中的温度及盐度自然分布以及本身湍流动能耗散均会造成强度分布不同的水下湍流,各类水中航行器也会产生强度不同的湍流场。因而针对水下湍流的强度探测可以反向识别湍流的产生源。本文采用涡旋光束作为测量光束,基于涡旋光束与高斯光束干涉产生的条纹在湍流场中的偏移特性,进行了水下湍流强度探测方法的研究。主要工作为:1.理论研究了涡旋光束与平面光波、球面光波之间的干涉特性,利用Kolmogorov海洋湍流折射率波动空间能谱得到了相对应的随机相位扰动函数,利用交叉谱密度函数与随机相位屏法对拉盖尔-高斯光束在湍流中传输及干涉特性进行了理论模拟。研究了传输距离、湍流强度分别对涡旋光束的光强、相位的影响,以及湍流强度对涡旋光束与平面光束干涉条纹的偏移量的影响。结果表明:湍流强度一定时,随着传输距离的增加,涡旋光束的光斑尺寸扩大,暗中空凹陷变平缓,逐渐向高斯光束光强分布形式退化,闪烁指数逐渐变大,相位逐渐发生畸变;传输距离一定时,随着湍流强度的增加,涡旋光束的光斑尺寸无明显变化,暗中空凹陷变平缓,呈现向高斯光束光强分布形式退化趋势,相位畸变逐渐严重;湍流强度越大,涡旋光束与平面光束的干涉条纹偏移量越大;相同湍流强度下,拓扑荷数越大的涡旋光束的干涉条纹偏移量越小。2.建立了基于涡旋光束干涉特性的水下湍流强度探测系统,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。分别测量记录了不同强度水下湍流中的涡旋光束与空气中高斯光束干涉产生的干涉条纹,并通过计算机进行处理计算,得到不同湍流强度下的干涉条纹偏移量。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其干涉条纹偏移量随湍流强度增大而增大。理论与实验研究结果表明,可以通过涡旋光束与高斯光束干涉产生的干涉条纹的偏移量来确定水体中是否存在湍流,进一步可以通过干涉条纹偏移特性来判断水下湍流强弱。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号对照表
• 缩略语对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状及进展
•     1.2.1 光尾流探测技术
•     1.2.2 涡旋光束在湍流中的研究
•   1.3 本论文主要研究内容
• 第二章 涡旋光理论基础
•   2.1 涡旋光束的基本原理
•     2.1.1 涡旋光束角动量
•     2.1.2 涡旋光束光强与相位
•   2.2 涡旋光束类型
•     2.2.1 拉盖尔-高斯光束
•     2.2.2 高阶贝塞尔光束
•   2.3 涡旋光束的产生方式
•     2.3.1 螺旋相位板法
•     2.3.2 计算全息法
•     2.3.3 空间光调制器法
•     2.3.4 几何模式转换法
•     2.3.5 几种生成涡旋光束方法的比较
• 第三章 涡旋光束干涉特性与水下湍流场的模拟及分析
•   3.1 涡旋光束的干涉特性
•     3.1.1 涡旋光束与平面光波的干涉
•     3.1.2 涡旋光束与球面光波的干涉
•   3.2 水下湍流场的模拟
•     3.2.1 海洋湍流功率谱
•     3.2.2 随机相位屏模拟海洋湍流
•   3.3 涡旋光束在水下湍流的传输特性
•     3.3.1 湍流对涡旋光束光强特性的影响
•     3.3.2 湍流对涡旋光束相位特性的影响
•     3.3.3 水下湍流强度对涡旋光束干涉特性的影响
•   3.4 本章小结
• 第四章 水下湍流强度探测实验研究
•   4.1 水下湍流强度探测系统
•     4.1.1 涡旋光束的生成
•     4.1.2 实验系统
•   4.2 湍流场强度探测实验测量结果及处理
•     4.2.1 光强结果
•     4.2.2 干涉结果
•   4.3 干涉条纹偏移量的规律
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张家瑞

导师: 孙艳玲,汪伟

关键词: 涡旋光束,水下湍流,干涉,条纹偏移

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,海洋学,武器工业与军事技术

单位: 西安电子科技大学

分类号: P714;E91;O436.1

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.001853

总页数: 67

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