一种基于光斑相位奇点闪烁峰特性的水下湍流强度检测方法技术

技术编号：41098400 阅读：4 留言：0更新日期：2024-04-25 13:55

一种基于光斑相位奇点闪烁峰特性的水下湍流强度检测方法，该方法采用单高斯涡旋光束作为测量光源，获取一段时间内光束通过湍流水池在CCD上成像的光强起伏特性，根据高斯涡旋光束螺旋状相位结构在光斑中心存在相位奇点、以及经过湍流介质扰动后该奇点位置存在闪烁峰值的特点，分析接收端获取光斑相位奇点附近像素点的闪烁指数，利用该区域闪烁指数增强的规律，提取闪烁峰图像，对该图像各像素点进行灰度统计，并利用灰度邻域关系空间分布图来表征闪烁峰统计特性，计算出灰度邻域关系空间分布图的统计特性参量：亮斑几何中心位置、亮斑相对几何中心扩散系数。根据灰度邻域关系空间分布图统计特性参量变化，分析不同湍流条件对闪烁峰图像亮度和不均匀度的影响。通过该方法获取的光斑闪烁峰统计特性可以表征水下湍流场的相对强度，提高激光检测水下湍流场的灵敏度。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水下激光传输领域，涉及一种基于光斑相位奇点闪烁峰特性的水下湍流强度检测方法，为在实验室搭建的热对流湍流水池中进行激光传输特性研究提供新思路。

技术介绍

1、海洋中存在的各种扰动会对海水折射率产生影响，形成水下湍流场。光在不同强度的水下湍流场中传输时，光束相位或传输方向会发生不同程度的改变，从而导致接收端光强起伏特性的差异，所以利用光学手段可以有效表征水下湍流场强度。针对水下湍流场中的光传输特性研究大多数仍处于实验室阶段，一般通过获取光束在湍流水池中传输后在接收屏上成像的透射光强统计特性，实现对水下湍流场的检测。传统光学检测手段一般采用单光束或双光束干涉场作为测量光源，前者是对透射图像进行熵分析或闪烁指数计算，而水下湍流场对光强影响较弱，这种方式的测量精度较低；后者也可以通过闪烁指数计算或分析干涉条纹位移来检测湍流强度的变化，理论上检测灵敏度较高。高斯涡旋光束具有螺旋状相位结构，相比于高斯光束，其受到湍流影响产生的光强变化中会包含更多的相位信息变化，因此利用这种特殊相位结构光束检测水下湍流场时，可以放大湍流介质对接收端光场的扰动，进而提高检测灵敏度。但是，在实验室搭建双光路测量系统研究热对流湍流水池中的激光传输特性，由于水池的工作机制，接收屏上获取的干涉条纹中难免会包含机械振动和环境扰动的影响，在湍流强度较弱的条件下，该影响是不可忽略的，会导致接收图像信噪比低，难以区分环境和湍流对光束的影响。

2、本专利技术针对在实验室利用激光检测水下湍流场时接收图像信噪比低和灵敏度低的问题，采用单高斯涡旋光束测量光路，

技术实现思路

1、本专利技术的目的是提供一种基于光斑相位奇点闪烁峰特性的水下湍流强度检测方法，该方法采用单高斯涡旋光束作为测量光源，获取一段时间内光束通过湍流水池后在ccd上成像的光强起伏特性，根据高斯涡旋光束螺旋状相位结构在光斑中心存在相位奇点、以及经过湍流介质扰动后该奇点位置存在闪烁峰值的特点，分析接收端获取光斑相位奇点附近像素点的闪烁指数，利用该区域闪烁指数增强的规律，通过计算闪烁峰统计特性来表征水下湍流场的相对强度，提高激光检测水下湍流场的灵敏度。

2、本专利技术的技术方案是：

3、如图1所示，激光发射系统、湍流水池和接收系统分别放置在激光发射平台(1)、水池平台(2)和接收平台(3)上。由激光器(4)发出的532nm高斯光束，经过透镜(5)、针孔(6)和透镜(7)准直和扩束，通过偏振片(8)产生偏振光，利用光阑(9)调节光斑直径，再利用空间光滤波器形成用于测量的高斯涡旋光束；测量光束通过热对流湍流水池(11)后，经过光阑(12)和偏振片(13)过滤掉杂散光，最后在接收器(14)上成像，获取到受到湍流场扰动的高斯涡旋光束光强分布图像(15)，如图2所示。记录光强分布图像随着测量时间的变化，利用高斯涡旋光束受湍流介质扰动后其光斑相位奇点附近闪烁指数增强这一特性，依次分析不同测量组的图像闪烁指数，首先提取光斑轮廓，再根据灰度直方图提取中心位置附近像素点的闪烁指数，即闪烁峰图像。对该图像各像素点进行灰度统计，并利用灰度邻域关系空间分布图来表征闪烁峰统计特性，计算出灰度邻域关系空间分布图的统计特性参量：亮斑几何中心位置、亮斑相对几何中心扩散系数。根据灰度邻域关系空间分布图统计特性参量变化，分析不同湍流条件对闪烁峰图像亮度和不均匀度的影响，从而实现对不同湍流强度的检测。

4、本专利技术的有益效果是光路结构简单、湍流检测灵敏度高，并且采用单光束测量方式，可以减小实验室搭建湍流光学检测系统时由机械振动和环境扰动造成的影响，提高接收图像的信噪比，同时基于光斑相位奇点闪烁峰统计特性的湍流强度检测方式可以有效利用高斯涡旋光束的特殊相位来放大湍流介质的扰动，进而提高检测灵敏度。本专利技术适用于水下激光传输领域的理论研究，可以为水下湍流水池激光传输建模研究、实验室水池湍流强度快速反演提供技术支撑。

5、说明书附图

6、图1单高斯涡旋光束湍流水池测量示意图；

7、图中：(1)激光发射平台；(2)水池平台；(3)接收平台；(4)激光器；(5)透镜；(6)针孔；(7)透镜；(8)偏振片；(9)光阑；(10)空间光滤波器；(11)热对流湍流水池；(12)光阑；(13)偏振片；(14)接收器。

8、图2接收屏获取光强分布示意图；

9、图中：(15)受湍流扰动影响的高斯涡旋光束光斑。

10、图3：高斯光束和高斯涡旋光束在不同湍流强度下的闪烁指数示意图

11、图中：(16)弱湍流条件；(17)强湍流条件；(18)高斯光束闪烁指数；(19)高斯涡旋光束闪烁指数；(20)高斯光束闪烁指数平均值分别为0.3059和0.5996；高斯涡旋光束闪烁指数平均值分别为0.2106和0.4864；(21)高斯光束闪烁峰值分别为1.072和1.261。

12、图4：闪烁峰图像选取示意图

13、图中：(22)光斑相位奇点位置附近像素点。

14、图5：灰度邻域关系空间分布图

15、图中：(23)x＝75，y＝71；(24)dbs＝87.5；(25)x＝99，y＝93；(26)dbs＝120.0。

本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种基于光斑相位奇点闪烁峰特性的水下湍流强度检测方法，其特征在于该方法采用单高斯涡旋光束测量方式，获取一段时间内光束通过湍流水池后在CCD上成像的光强起伏特性，根据高斯涡旋光束螺旋状相位结构在光斑中心存在相位奇点、以及经过湍流介质扰动后该奇点位置存在闪烁峰值的特点，分析接收端获取光斑相位奇点附近像素点的闪烁指数，利用该区域闪烁指数增强的规律，通过计算闪烁峰统计特性来表征水下湍流场的相对强度，提高激光检测水下湍流场的灵敏度。

2.如权利要求书1所述的闪烁峰统计特性，其特征在于：

【技术特征摘要】

1.一种基于光斑相位奇点闪烁峰特性的水下湍流强度检测方法，其特征在于该方法采用单高斯涡旋光束测量方式，获取一段时间内光束通过湍流水池后在ccd上成像的光强起伏特性，根据高斯涡旋光束螺旋状相位结构在光斑中心存在相位奇点、以及经过湍流介质扰动后该奇点位...

【专利技术属性】
技术研发人员：张璐，王运鹰，林辉，金方圆，郭媛媛，齐异，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七六零研究所，
类型：发明
国别省市：

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