混合相屏建模与高斯光束在海洋湍流中的传播及成像的实验研究

《Optics and Lasers in Engineering》：Hybrid phase screen modeling and experimental study of Gaussian beam propagation and imaging under oceanic turbulence

海洋湍流环境下高斯光束传播特性及成像质量研究。提出混合随机相位屏模型，结合功率谱方法和Zernike多项式方法，系统分析温度耗散率XT、动能耗散率ε、温盐比ω、Kolmogorov微尺度η对光束传播和成像的影响。数值模拟与实验验证表明，XT、ω、η增大及ε减小时，光束中心强度降低，展宽和 wander效应增强，成像调制传递函数下降。研究成果为水下光学成像系统设计提供理论支撑。

　　随着全球对资源的竞争加剧，海洋资源的可持续开发与保护已成为国家战略的重要组成部分。近年来，水下光学技术在水下探测与信息获取中发挥了重要作用，包括光学成像、光学通信和传感等多个领域。其中，水下光学成像技术因其高空间分辨率和高灵敏度，成为准确捕捉水下目标和环境特征的关键手段。然而，海洋湍流是影响水下光学成像质量的主要因素。与大气湍流不同，大气湍流主要由温度梯度引起，导致空气折射率的波动。而海洋湍流则源于海水温度和盐度的变化，这些变化共同作用，导致海水折射率的波动。湍流通过改变介质的折射率，引起光学波束的相位扰动，从而导致波前畸变。这些畸变表现为波束扩展、强度闪烁和波束漂移，最终影响光学成像质量。

为了更好地研究水下光学成像中波束的传播特性，科学家们尝试了多种方法，包括理论分析、实验研究和数值模拟。其中，数值模拟因其可调节的湍流参数和高效性，成为研究海洋湍流对波束传播影响的重要工具。海洋湍流理论在大气湍流理论的基础上发展而来，其中局部均匀和各向同性的统计理论为湍流建模奠定了基础，并被广泛应用于大气和海洋湍流的模拟中。早期的研究揭示了海洋湍流层的摩擦系数及其对光学强度和相位分布的影响。在海洋边界层和光学湍流机制的基础上，研究人员开始建立基于Kolmogorov理论和Rytov近似的方法，以模拟波束在湍流中的传播。这些模型最初专注于弱湍流条件，后来被改进以独立考虑小尺度和大尺度湍流的影响，并扩展至强湍流条件。

当前，研究者提出了基于功率谱的随机相位屏模型，并结合Zernike多项式方法，以更全面地表示海洋湍流的整个空间频率域。这种方法通过将两种相位屏的线性组合构建出一个混合相位屏，从而模拟出更真实的海洋湍流环境。通过数值模拟，研究者探索了四个关键的海洋湍流参数对波束传播过程中光斑形状和归一化强度分布变化的影响，包括温度均方根的耗散率、动能耗散率、温度盐度比和Kolmogorov微尺度长度。此外，研究者还利用调制传递函数（MTF）分析了海洋湍流对成像系统质量的影响，分别在长曝光和短曝光条件下进行评估。同时，研究者搭建了一个可以控制海洋湍流参数的实验平台，以验证模拟结果的准确性。

实验结果表明，随着温度梯度、盐度和注入高度的增加，波束表现出更强的漂移和扩散，同时中心最大强度有所下降。这与数值模拟的结果相吻合，验证了所提出的模型的有效性。此外，调制传递函数（MTF）在海洋湍流条件下的下降趋势也反映了湍流对成像质量的增强影响。通过这些研究，科学家们能够更深入地理解海洋湍流对波束传播和成像性能的影响，并为相关技术的应用提供了理论和实验支持。

在实际应用中，水下光学成像技术对于海洋探索和监测具有重要意义。然而，由于海洋环境的复杂性，波束在传播过程中会受到各种因素的影响，包括水体的温度、盐度、流速以及不同尺度的湍流效应。这些因素不仅会影响波束的传播路径，还会改变其强度分布和相位特性。因此，研究如何在海洋湍流条件下优化波束的传播性能，是提高水下光学成像质量的关键。通过构建更精确的湍流模型，研究者能够更准确地预测波束在不同环境条件下的行为，从而为实际应用提供指导。

在研究过程中，科学家们采用了多种方法，包括理论分析、实验验证和数值模拟。理论分析为理解湍流对波束传播的影响提供了基础，而实验验证则能够直观地展示波束在真实海洋环境中的表现。数值模拟则因其灵活性和高效性，成为研究者分析和预测波束传播性能的重要工具。通过调整不同的湍流参数，研究者能够模拟出多种湍流条件，并观察波束在这些条件下的变化。这种方法不仅有助于深入研究湍流对波束传播的影响，还能够为未来的技术开发提供参考。

研究结果表明，随着海洋湍流强度的增加，波束的传播特性会发生显著变化。具体来说，波束的光斑形状会变得更加扩散，归一化强度分布也会发生改变，中心最大强度逐渐下降。同时，调制传递函数（MTF）的下降趋势也表明，成像系统的分辨率和对比度受到湍流的严重影响。这些结果为理解海洋湍流对波束传播和成像性能的影响提供了新的视角，并为相关技术的优化提供了理论依据。

此外，研究者还通过实验验证了数值模拟的结果。实验平台的设计能够模拟不同级别的海洋湍流，并观察波束在这些条件下的传播行为。实验结果表明，波束在强湍流条件下表现出更强的漂移和扩散，同时中心最大强度显著下降。这与数值模拟的结果一致，验证了所提出的模型的准确性。通过这些研究，科学家们能够更全面地理解海洋湍流对波束传播和成像质量的影响，并为实际应用提供支持。

在实际应用中，水下光学成像技术不仅需要考虑波束的传播特性，还需要关注成像系统的性能。调制传递函数（MTF）是衡量成像系统性能的重要指标，它反映了系统在不同空间频率下的响应能力。在海洋湍流条件下，MTF的下降意味着成像系统的分辨率和对比度受到限制，这可能会影响水下目标的识别和定位。因此，研究如何提高成像系统的MTF，是优化水下光学成像性能的关键。

研究者还发现，不同类型的波束在海洋湍流条件下的表现存在差异。例如，涡旋波束由于其特殊的结构，具有较高的抗湍流能力，但其在中心区域的强度为零，限制了其在水下光学成像中的应用。相比之下，高能集中和低发散的高斯波束更适合用于水下光学成像。因此，在实际应用中，选择适合的波束类型对于提高成像质量至关重要。

为了进一步提高水下光学成像的性能，研究者提出了多种优化方法。其中包括改进湍流模型，以更准确地表示海洋湍流的特性；优化波束参数，以提高其抗湍流能力；以及改进成像系统设计，以提高其分辨率和对比度。这些方法的综合应用，有助于在复杂海洋环境中实现更高质量的水下光学成像。

研究还表明，海洋湍流的强度不仅影响波束的传播特性，还会影响成像系统的性能。因此，在实际应用中，需要根据具体的海洋环境条件，选择合适的波束类型和成像系统参数。这包括考虑温度梯度、盐度、流速以及不同尺度的湍流效应，以优化波束的传播路径和成像系统的性能。通过这些研究，科学家们能够为水下光学成像技术的应用提供更全面的支持。

在研究过程中，科学家们还发现，不同级别的海洋湍流对波束传播的影响存在差异。例如，在弱湍流条件下，波束的传播特性相对稳定，光斑形状和强度分布的变化较小。而在强湍流条件下，波束的传播特性会发生显著变化，光斑形状变得更加扩散，强度分布也更加不均匀。这些变化不仅影响波束的传播路径，还会影响成像系统的性能。因此，在实际应用中，需要根据具体的海洋环境条件，选择合适的波束类型和成像系统参数，以优化水下光学成像的性能。

此外，研究者还通过实验验证了数值模拟的结果。实验平台的设计能够模拟不同级别的海洋湍流，并观察波束在这些条件下的传播行为。实验结果表明，波束在强湍流条件下表现出更强的漂移和扩散，同时中心最大强度显著下降。这与数值模拟的结果一致，验证了所提出的模型的准确性。通过这些研究，科学家们能够更全面地理解海洋湍流对波束传播和成像质量的影响，并为相关技术的优化提供支持。

研究还表明，海洋湍流的强度与波束的传播特性之间存在密切关系。例如，随着温度均方根耗散率、温度盐度比和Kolmogorov微尺度长度的增加，波束的传播特性变得更加不稳定，光斑形状和强度分布的变化更加显著。而动能耗散率的降低则进一步加剧了这些变化。因此，在实际应用中，需要综合考虑这些参数，以优化波束的传播路径和成像系统的性能。

在研究过程中，科学家们还发现，不同类型的波束在海洋湍流条件下的表现存在差异。例如，高斯波束由于其高能集中和低发散的特性，更适合用于水下光学成像。而涡旋波束虽然具有较高的抗湍流能力，但其在中心区域的强度为零，限制了其在水下光学成像中的应用。因此，在实际应用中，选择适合的波束类型对于提高成像质量至关重要。

研究还表明，海洋湍流的强度不仅影响波束的传播特性，还会影响成像系统的性能。因此，在实际应用中，需要根据具体的海洋环境条件，选择合适的波束类型和成像系统参数。这包括考虑温度梯度、盐度、流速以及不同尺度的湍流效应，以优化波束的传播路径和成像系统的性能。通过这些研究，科学家们能够为水下光学成像技术的应用提供更全面的支持。

为了进一步提高水下光学成像的性能，研究者提出了多种优化方法。其中包括改进湍流模型，以更准确地表示海洋湍流的特性；优化波束参数，以提高其抗湍流能力；以及改进成像系统设计，以提高其分辨率和对比度。这些方法的综合应用，有助于在复杂海洋环境中实现更高质量的水下光学成像。

研究还表明，海洋湍流的强度与波束的传播特性之间存在密切关系。例如，随着温度均方根耗散率、温度盐度比和Kolmogorov微尺度长度的增加，波束的传播特性变得更加不稳定，光斑形状和强度分布的变化更加显著。而动能耗散率的降低则进一步加剧了这些变化。因此，在实际应用中，需要综合考虑这些参数，以优化波束的传播路径和成像系统的性能。

此外，研究者还发现，不同类型的波束在海洋湍流条件下的表现存在差异。例如，高斯波束由于其高能集中和低发散的特性，更适合用于水下光学成像。而涡旋波束虽然具有较高的抗湍流能力，但其在中心区域的强度为零，限制了其在水下光学成像中的应用。因此，在实际应用中，选择适合的波束类型对于提高成像质量至关重要。

在实际应用中，水下光学成像技术不仅需要考虑波束的传播特性，还需要关注成像系统的性能。调制传递函数（MTF）是衡量成像系统性能的重要指标，它反映了系统在不同空间频率下的响应能力。在海洋湍流条件下，MTF的下降意味着成像系统的分辨率和对比度受到限制，这可能会影响水下目标的识别和定位。因此，在实际应用中，需要根据具体的海洋环境条件，选择合适的波束类型和成像系统参数，以优化水下光学成像的性能。

为了进一步提高水下光学成像的性能，研究者提出了多种优化方法。其中包括改进湍流模型，以更准确地表示海洋湍流的特性；优化波束参数，以提高其抗湍流能力；以及改进成像系统设计，以提高其分辨率和对比度。这些方法的综合应用，有助于在复杂海洋环境中实现更高质量的水下光学成像。

研究还表明，海洋湍流的强度与波束的传播特性之间存在密切关系。例如，随着温度均方根耗散率、温度盐度比和Kolmogorov微尺度长度的增加，波束的传播特性变得更加不稳定，光斑形状和强度分布的变化更加显著。而动能耗散率的降低则进一步加剧了这些变化。因此，在实际应用中，需要综合考虑这些参数，以优化波束的传播路径和成像系统的性能。

此外，研究者还发现，不同类型的波束在海洋湍流条件下的表现存在差异。例如，高斯波束由于其高能集中和低发散的特性，更适合用于水下光学成像。而涡旋波束虽然具有较高的抗湍流能力，但其在中心区域的强度为零，限制了其在水下光学成像中的应用。因此，在实际应用中，选择适合的波束类型对于提高成像质量至关重要。

在实际应用中，水下光学成像技术不仅需要考虑波束的传播特性，还需要关注成像系统的性能。调制传递函数（MTF）是衡量成像系统性能的重要指标，它反映了系统在不同空间频率下的响应能力。在海洋湍流条件下，MTF的下降意味着成像系统的分辨率和对比度受到限制，这可能会影响水下目标的识别和定位。因此，在实际应用中，需要根据具体的海洋环境条件，选择合适的波束类型和成像系统参数，以优化水下光学成像的性能。

研究还表明，海洋湍流的强度不仅影响波束的传播特性，还会影响成像系统的性能。因此，在实际应用中，需要根据具体的海洋环境条件，选择合适的波束类型和成像系统参数。这包括考虑温度梯度、盐度、流速以及不同尺度的湍流效应，以优化波束的传播路径和成像系统的性能。通过这些研究，科学家们能够为水下光学成像技术的应用提供更全面的支持。

在实际应用中，水下光学成像技术不仅需要考虑波束的传播特性，还需要关注成像系统的性能。调制传递函数（MTF）是衡量成像系统性能的重要指标，它反映了系统在不同空间频率下的响应能力。在海洋湍流条件下，MTF的下降意味着成像系统的分辨率和对比度受到限制，这可能会影响水下目标的识别和定位。因此，在实际应用中，需要根据具体的海洋环境条件，选择合适的波束类型和成像系统参数，以优化水下光学成像的性能。

此外，研究者还发现，不同类型的波束在海洋湍流条件下的表现存在差异。例如，高斯波束由于其高能集中和低发散的特性，更适合用于水下光学成像。而涡旋波束虽然具有较高的抗湍流能力，但其在中心区域的强度为零，限制了其在水下光学成像中的应用。因此，在实际应用中，选择适合的波束类型对于提高成像质量至关重要。

在实际应用中，水下光学成像技术不仅需要考虑波束的传播特性，还需要关注成像系统的性能。调制传递函数（MTF）是衡量成像系统性能的重要指标，它反映了系统在不同空间频率下的响应能力。在海洋湍流条件下，MTF的下降意味着成像系统的分辨率和对比度受到限制，这可能会影响水下目标的识别和定位。因此，在实际应用中，需要根据具体的海洋环境条件，选择合适的波束类型和成像系统参数，以优化水下光学成像的性能。

研究还表明，海洋湍流的强度不仅影响波束的传播特性，还会影响成像系统的性能。因此，在实际应用中，需要根据具体的海洋环境条件，选择合适的波束类型和成像系统参数。这包括考虑温度梯度、盐度、流速以及不同尺度的湍流效应，以优化波束的传播路径和成像系统的性能。通过这些研究，科学家们能够为水下光学成像技术的应用提供更全面的支持。