【摘 要】
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随着人们对海洋资源的不断探索与利用,机载激光通信、水下探测以及成像等应用的需求越来越大,然而复杂的海洋环境对激光的散射和吸收作用会对水下诸多应用的性能产生不良影响
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随着人们对海洋资源的不断探索与利用,机载激光通信、水下探测以及成像等应用的需求越来越大,然而复杂的海洋环境对激光的散射和吸收作用会对水下诸多应用的性能产生不良影响并限制其发展。由于偏振光比简单的辐照度包含更多的信息,其被广泛应用于水下无线通信和成像等众多领域,而偏振光的广泛应用得益于光束在介质中传输特性研究的结果,且其在不同介质中传输会呈现不同的变化规律。基于上述背景,本论文考虑实际环境建立大气-海水模型,并开展了偏振光在近海面的传输特性研究。本论文的研究内容以及成果如下:(1)基于矢量蒙特卡洛(MC)方法和Mie散射理论,对公开文献中激光束在单分散介质中的透过率与偏振度进行仿真模拟,为偏振光在近海面的传输特性研究奠定了理论基础。(2)在上述基础上,考虑介质的多粒子分布,研究了海雾能见度、传输距离等参数对激光束空间和时间特性的影响,并通过对光子偏振方向角(φ)和椭圆率(χ)的计算统计详细分析了线偏振光和圆偏振光在海雾中传输100m后的偏振变化情况。考虑泡沫粒子的分层结构不同于实心粒子,分析了海面泡沫层参数对其散射系数以及传输特性的影响,结果表明粒径分布(PSD)中的几何平均偏差(σ)对散射特性的影响较大且泡沫空隙率(fa)大于0.5后,其对偏振影响的差距很小。(3)基于叶绿素浓度的深度分布建立非均匀海水模型,采用分层MC算法研究了水质类型、接收孔径等参数对激光束传输特性的影响,以及对不同偏振态入射光的偏振演变过程进行分析。结果表明接收光斑中心区域光子的偏振度高于边缘区域且水质类型对激光传输过程影响很大。(4)基于风速引起的海面波动建立偏振光在不规则海面的传输模型,研究了激光束穿过大气-海水系统后的偏振特性,结果显示线偏振光在近海面传输时的退偏效应比圆偏振光的退偏效应明显。并详细分析了海面参数(风速、泡沫层粒径分布)以及水深对激光束有效光斑大小和时间分布的影响。本论文对偏振光在近海面传输的空间、时间以及偏振特性进行仿真分析,其结果对在实际应用中减少多次散射光子的影响以及蓝绿激光的机载光通信、水下探测和成像技术的发展都具有重要参考价值。
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