海洋湍流对激光传输特性和光学成像的影响

Since recently the interest in underwater communications, imaging, sensing and lidar appeared, the laser beam propagation and the optical imaging in underwater environments pose significant challenges. Until now, only a few studies have dealt with the influence of oceanic turbulence on the propagation property of laser beams and the optical imaging. Unlike in the case of atmospheric turbulence, the oceanic turbulence is caused by both temperature fluctuations and salinity fluctuations. The spatial power spectrum of the refractive index fluctuations of oceanic waters may have two-bump structure. The new power spectrum of oceanic waters allows for more accurate predictions of the light propagation behavior in the ocean than the Kolmogorov spectrm. In this project, we study the wave structure function and the spatial coherence length in oceanic turbulence, which is the one of the base and the key problems of oceanic optics. We modify the underwater imaging model, and study the influence of oceanic turbulence on the imaging and the resolution capability of telescopes. We simulate the oceanic turbulence in the laboratory water tank, and explore the ways to decrease the influence of oceanic turbulence and thermal blooming on the laser beam quality by using the analytical method, numerical calculation method and experimental method. The results obtained in this project will provide the analysis model, the calculation method and the numerical simulation software for the laser beam propagation and the optical imaging in oceanic turbulence, discover new results in oceanic optics, and provide theories for applications in oceanic turbulence.

随着水下光通信、成像、传感和激光雷达等应用的兴起，水下环境对激光传输和成像提出了新的挑战。迄今为止，海洋湍流对激光传输特性和光学成像影响的研究涉及甚少。与大气湍流不同，海洋湍流是由温度和盐度变化引起水折射率起伏而造成的，其折射率起伏空间功率谱具有复杂的双峰值结构。双峰值结构的海洋湍流功率谱能够比Kolmogorov功率谱更精确地预测光在海洋湍流中的传输行为。本项目拟研究内容：研究海洋湍流中的光波结构函数和光波空间相干长度（海洋光学中的关键科学问题）；修正水下光学成像模型，研究海洋湍流对光学成像质量和望远镜分辨本领的影响；利用室内湍流池模拟海洋湍流，并采用解析、数值模拟和实验相结合的研究方法，寻找减小海洋湍流和热晕对激光束质量影响的途径。本项目结果将提供海洋湍流中激光传输以及光学成像的研究模型、方法和数值模拟软件，揭示海洋光学中的新规律，为工作于水下湍流环境中的相关应用提供理论基础。

随着水下光通信、成像、传感和激光雷达等应用的兴起，水下环境对激光传输和成像提出了新的挑战。与大气湍流不同，海洋湍流是由温度和盐度变化引起水折射率起伏而造成的，其折射率起伏空间功率谱具有复杂的双峰值结构。本项目主要研究内容、重要结果及其科学意义如下：(1) 推导出了海洋湍流中光波结构函数和空间相干长度的解析公式。光波结构函数是研究海洋湍流对激光传输和成像影响的关键。相关成果已在国际TOP学术期刊《Optics Express》上发表，并被选为该期刊封面论文。(2) 推导出了海洋湍流中Fried 参数的解析公式，并修正了水下光学成像模型。研究发现：粒子散射对成像质量退化的作用主要作用于低频成分，而海洋湍流主要作用于高频成分。相比于盐度起伏占主导地位引起的海洋湍流，在温度起伏占主导地位引起的海洋湍流中，海洋湍流相对于粒子散射对成像质量退化起更主要作用所对应的空间角频率的频段更高。(3) 研究了激光在海水介质中传输的热晕效应。研究发现：热晕随着海水盐度的升高而加剧。相关成果已在国际TOP学术期刊《Optics Express》上发表。(4) 研究了海洋湍流中光闪烁特性。研究表明：在弱海洋湍流中，慧差要抑制孔径平均光闪烁。(5) 研究了海洋湍流中球面波Rytov方差以及激光雷达性能指标（单基和双基系统的双程闪烁因子、孔径平均因子、平均信噪比和平均比特率）。(6) 研究了海洋湍流对自适应光学成像系统特征参量（Strehl比、Greenwood时间常数和等晕角）的影响。(7) 推导了部分相干环状偏心光束通过海洋湍流传输的光束高阶矩以及海洋湍流参数的解析公式，揭示出了光束偏斜度和K参数在海洋湍流中的变化规律。(8) 推导出了海洋湍流中光波相位结构函数和达到角起伏以及脉冲宽度的解析公式。(9) 利用对流水槽实验模拟研究了盐水湍流的发生和演变，在夹卷层下部得到的光强起伏出现双峰结构，体现了盐度起伏的贡献。相关成果已在国际TOP学术期刊《Optics Express》上发表。本项目所得研究结果不仅有理论上的创新性，而且可为工作于水下湍流环境中的相关应用提供理论基础。