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激光大气传输相位屏的时间相关性测量

光通信技术 2020年第10期44卷 28-32页

作者：丛明慧倪小龙刘智张小琪姚海峰长春理工大学电子与信息工程学院长春130000 长春理工大学空间光电技术研究所长春130000 长春光客科技有限公司长春130000

为了提高动态大气湍流模拟相位屏时间上的模拟精度,提出了利用时间协方差测量时间相关性的方法,在基于液晶空间光调制器(LC-SLM)的大气湍流相位屏模拟方法、时间特性等方面开展了研究。采用功率谱反演法生成湍流模拟相位屏,给出了时间... 详细信息

为了提高动态大气湍流模拟相位屏时间上的模拟精度,提出了利用时间协方差测量时间相关性的方法,在基于液晶空间光调制器(LC-SLM)的大气湍流相位屏模拟方法、时间特性等方面开展了研究。采用功率谱反演法生成湍流模拟相位屏,给出了时间变量及时间功率谱的计算方法,搭建了基于LC-SLM的大气湍流相位屏模拟实验系统,并对上述方法进行了实验验证。实验结果表明:激光畸变损失情况下,时间协方差的计算误差可控制在8.0%左右,且该模拟方法下相位屏的时间模拟精度较好。

关键词：大气湍流时间相关性时间协方差功率谱反演法相位屏

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水下湍流随机相位屏模型的研究

水下湍流随机相位屏模型的研究

作者：潘孙翔南京邮电大学

学位级别：硕士

随着水下高速信息传输需求的增加,水下光通信成为研究热点。轨道角动量作为光的新型的自由度,可以极大地增加信道容量而被引入水下光通信。然而水下湍流会影响光在水下传输的质量,降低水下光通信的可靠性。因此,建立有效的水下湍流模型... 详细信息

随着水下高速信息传输需求的增加,水下光通信成为研究热点。轨道角动量作为光的新型的自由度,可以极大地增加信道容量而被引入水下光通信。然而水下湍流会影响光在水下传输的质量,降低水下光通信的可靠性。因此,建立有效的水下湍流模型是研究水下光通信系统的前提。论文分别通过功率谱反演法和Zernike多项式法建立了水下湍流模型,并以数值仿真分析了涡旋光束在水下湍流中的传输特性。主要工作如下:(1)建立了基于功率谱反演法的水下湍流随机相位屏模型,并通过次谐波补偿方法改善了功率谱反演法生成随机相位屏在低频部分的不足。首先利用水下湍流的折射率功率谱对高斯白噪声矩阵进行滤波,再通过傅里叶变换生成符合水下湍流统计特性的相位屏。接着通过次谐波补偿方法对低频部分进行改善。结果表明,在低频次谐波补偿时,随着补偿阶数和补偿级数的增加,补偿效果越好,当补偿级数为7,补偿阶数为9时,相位屏的相位结构函数与理论曲线最接近。最后利用该模型数值仿真了拉盖尔-高斯光束在水下传输,结果表明,随着补偿阶数的增加,探测概率随传输距离变化的曲线与理论曲线越来越接近。(2)基于Zernike多项式的水下湍流随机相位屏模型,并通过高频补偿方式改善了Zernike多项式法生成法在相位屏的高频部分的不足。首先利用不同阶数的Zernike多项式之间的正交性,生成满足水下湍流低频统计特性的随机相位屏。并分析了不同阶数下Zernike多项式法生成随机相位屏的相位结构函数。在此基础上,将Zernike多项式法生成的随机相位屏与基于功率谱反演法的水下湍流随机相位屏进行线性组合,综合两种随机相位屏生成法在高、低频部分的优势。结果表明,当叠加系数为1时,叠加相位屏的相位结构函数与理论曲线最接近,补偿效果最好。同时,相比于功率谱反演法和Zernike多项式法的水下湍流模型,该改进的模型下拉盖尔-高斯光的水下传输光探测概率随传输距离变化的曲线更加接近理论值。

关键词：水下湍流模型功率谱反演法 Zernike多项式相位屏相位结构函数轨道角动量

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磁性界面起伏迭代反演方法

磁性界面起伏迭代反演方法

作者：姚攀长安大学

学位级别：硕士

对盆地构造进行初期评价时,磁法勘探有其自身明显的优势,它们均以投入较少、异常信息覆盖面积广阔、野外获取方便、解释周期短而发挥着重要的作用。对于磁测资料的处理与解释,确定磁性地质界面起伏、磁性基底深度又作为磁法勘探在解决... 详细信息

对盆地构造进行初期评价时,磁法勘探有其自身明显的优势,它们均以投入较少、异常信息覆盖面积广阔、野外获取方便、解释周期短而发挥着重要的作用。对于磁测资料的处理与解释,确定磁性地质界面起伏、磁性基底深度又作为磁法勘探在解决盆地内部深部构造信息方面的重要任务之一。研究磁性地层的界面:无论对于研究盆地的形成与演化,还是对于研究矿产及油气资源的分布,如油气的形成、运移、赋存等都有极其重要的理论和实际价值。反演磁性界面深度的方法可以分为频率域和空间域两大类。本文通过对空间域磁性界面迭代反演方法进行研究,该方法受界面平均深度选取的是否恰当影响较大,平均深度选取的过深会导致整个界面深度偏深,平均深度选取的过浅会导致整个界面深度偏浅。因此在反演磁性界面深度之前,确定界面的平均深度至关重要。本文给出了利用功率谱法确定界面平均深度的方法,这一方法的最大优势在于反演之前不需要磁性界面的物性资料就可以完成。但在反演的过程中确定界面初值时,需要将观测面位场进行向下延拓,本文根据徐世浙院士提出的迭代法求取向下延拓场,从而有效的避免了场值发散问题。本文通过理论模型测试,表明了空间域磁性界面迭代反演方法可靠,具有一定的实际应用价值,同时利用该方法对南海北部磁测资料进行处理,得到了南海北部磁性基底和居里面起伏变化特征。

关键词：磁性界面迭代反演法功率谱反演法南海北部

利用粒子图像测速技术获取大气横向风速的研究

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利用粒子图像测速技术获取大气横向风速的研究

作者：冯晓蓉西安理工大学

学位级别：硕士

无线光通信具有通信容量大、抗干扰性强,保密性好等优点,逐渐成为学术界研究的热点之一。激光在大气湍流中传输时产生了波前相位畸变现象,其中横向风速是影响波前相位的一个重要因素。在无线光通信系统中,结合波前相位与横向风速的关系... 详细信息

无线光通信具有通信容量大、抗干扰性强,保密性好等优点,逐渐成为学术界研究的热点之一。激光在大气湍流中传输时产生了波前相位畸变现象,其中横向风速是影响波前相位的一个重要因素。在无线光通信系统中,结合波前相位与横向风速的关系,利用图像处理技术从接收端的光斑中获取横向风速,探索横向风速对光束传输过程的影响,来提高波前校正的效果。主要工作如下:1、利用Zernike多项式和功率谱反演方法,对由大气湍流干扰引起的相位畸变波前进行了数值模拟。由于Zernike多项式模拟生成的相位屏会存在着高频信息不足的缺陷,因此,本文应用功率谱反演法建立多相位屏仿真大气湍流。仿真分析了高斯光束在弱、中、强湍流情况下的传输,结果表明,光束经过多相位屏湍流的调制后,接收端生成的光斑会出现光斑散斑,质心漂移等现象,随着湍流强度的不断增加,这些现象变化会更明显。2、互相关算法是粒子图像测速(particleimage velocimetry,PIV)技术的核心,由于光斑形态随时间变化,故利用互相关算法将两帧连续的光斑粒子图像进行精确匹配,得到散斑移动速度。仿真分析了动态相位屏模拟横向风速的实现,通过设置相位屏的移动速度和移动角度,仿真了在弱湍流、中湍流、强湍流情况下,不同大小和不同位置的横向风速对光斑粒子图像的影响。3、搭建无线光通信系统,开展了传输距离分别为1.3km、10.3km和100km的外场实验,发送端在大气环境中发送信号光,接收端采集大量的光斑图像数据。对光斑图像进行PIV技术处理,获得激光传输路径上的横向风速,并根据所得横向风速调整波前校正过程的曝光时间,得到补偿后的光功率值。验证了利用PIV技术获得大气湍流中横向风速的方法的可行性,并验证了通过风速补偿,可以有效提高自适应光学系统的校正性能。本文通过采用模拟与实验相结合的方法,对大气湍流中的横向风速进行了测定。结果表明,在传输距离分别为1.3km、10.3km和100km的传输路径下,使用该技术获得的平均横向风速值分别为1.5739 m/s、1.7160 m/s、1.7688m/s,与当时的实际风速之间的相关系数分别为0.9674、0.9346、0.91591。对三种传输链路的校正过程进行横向风速补偿,得到校正后的光功率值分别由-25dBm、-43dBm和-38dBm提升至-16dBm、-21dBm和-23dBm,验证了利用PIV技术获得大气湍流中横向风速的方法的可行性,通过风速补偿后的系统校正效果比补偿前更高,并且收敛速度更快。

关键词：无线光通信 Zernike多项式功率谱反演法粒子图像测速技术

海洋湍流-悬浮粒子混合介质中涡旋光束传输特性研究

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海洋湍流-悬浮粒子混合介质中涡旋光束传输特性研究

作者：胡田田西安理工大学

学位级别：硕士

水下无线光通信(Underwater Wireless Optical Communication,UWOC)利用光波作为信息传播的载体,在水下实现数据高速率、低延迟传输。涡旋光束具有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)特性,光波呈螺旋相位分布。OAM提升了水下光... 详细信息

水下无线光通信(Underwater Wireless Optical Communication,UWOC)利用光波作为信息传播的载体,在水下实现数据高速率、低延迟传输。涡旋光束具有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)特性,光波呈螺旋相位分布。OAM提升了水下光通信的数据传输速率和容量。但OAM光场在水下信道中传输时,容易受到信道干扰,如海洋湍流、海洋悬浮粒子等,都会对光束传输造成影响,严重制约着水下光通信系统的性能。本文针对海洋湍流-悬浮粒子混合介质对光束传输造成的相位扰动展开研究,建立了一种可以用于描述海洋中的湍流和悬浮粒子共同作用的混合海洋介质相位屏模型,并围绕携带OAM的涡旋光束经该相位屏的传输特性进行分析。主要工作如下:(1)利用球形海洋悬浮粒子光散射理论及荣格谱分布模型,建立了海洋悬浮粒子的随机相位屏模型,推导了海洋悬浮粒子介质折射率功率谱的具体表达式,并生成了海洋悬浮粒子介质相位屏。(2)利用功率谱反演法生成海洋湍流相位屏,结合多层相位屏法原理,构建了一种用于描述海洋中的湍流和悬浮粒子共同作用的混合海洋介质相位屏模型,并数值模拟了海洋湍流-悬浮粒子的混合介质相位屏。同时,还研究了不同海洋悬浮粒子参数对光源退相干的影响,验证了该模型的有效性。悬浮粒子的荣格指数增大或平均半径减小都会降低目标光场的相干性。(3)基于生成的海洋湍流-悬浮粒子混合介质相位屏,仿真了LG、BG两种常见涡旋光束经其传输后的光强分布,发现受海洋悬浮粒子介质影响的光场分布更为发散,光斑呈现细小的散斑颗粒状特征。还分析了LG涡旋光束在不同拓扑荷数、波长、荣格指数、粒子平均半径、动能耗散率、均方温度耗散率、温盐比条件下经其传输的闪烁因子变化。结果表明:在相同传输距离下,LG光束的拓扑荷数越大、波长越短,悬浮粒子的荣格指数越大、平均半径越小,或海洋湍流均方温度耗散率越大、温盐比越大、动能耗散率越小,闪烁因子就越大。本文的研究成果有助于推动水下光通信技术的发展,为未来研究OAM光束在复杂海洋环境中的传输提供了理论依据。

关键词：多层相位屏法功率谱反演法海洋湍流相位屏光散射荣格指数传输特性

Non-Kolmogorov湍流下激光传输特性及相位屏仿真

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Non-Kolmogorov湍流下激光传输特性及相位屏仿真