1 西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048
2 西安市无线光通信与网络研究重点实验室，陕西 西安 710048
3 陕西理工大学物理与电信工程学院，陕西 汉中 723001
4 陕西科技大学电子信息与人工智能学院，陕西 西安 710021
海洋湍流和光源参数对涡旋光束的信道容量有十分重要的影响。本文根据Rytov近似理论，利用有限外尺度且不稳定分层的各向异性海洋湍流功率谱，并引入xy平面上的两个各向异性因子来研究完美涡旋（PV）光束、拉盖尔高斯（LG）光束和贝塞尔高斯（BG）光束在海洋湍流下的信道容量，数值模拟了束腰半径、接收孔径直径和海洋湍流参数等对三种光束信道容量的影响。数值结果表明：当传输距离在30~70 m时，较小束腰半径（小于4 mm）的PV或者LG光束可获得比BG光束更大的信道容量；但较大束腰半径（大于12 mm）的PV或者LG光束的信道容量却大于BG光束。此外，当束腰半径小于2 mm时，PV光束的信道容量要大于LG和BG光束，表明采用窄束腰半径（小于2 mm）的PV光束相比LG和BG光束可以增大光通信系统的信道容量。本文的研究结果对海洋环境中光通信光源参数的选择具有重要意义。
海洋光学 信道容量 各向异性海洋湍流功率谱 涡旋光束 光学学报
2023, 43(24): 2401004
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 光子网络技术研究室，西安 710119
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，西安 710119
3 中国科学院大学，北京 100049
针对湍流对水下成像系统的影响，基于Yao折射率起伏功率谱，推导了平面波的波结构函数，完善了水下光学成像模型，其优势在于将难以测量的微观参量如动能耗散率和温度耗散率，用平均温度和平均盐度等宏观参量代替。数值仿真了不同平均温度与平均盐度条件下水下湍流通过改变波前，进而对成像系统调制传递函数产生影响。仿真结果表明，平均温度与平均盐度升高，均会造成系统成像质量下降，进一步研究发现平均盐度增加，不同空间频率的调制传递函数值均线性下降，且下降幅度基本一致；随着平均温度升高，调制传递函数值线性下降，且高频成分的调制传递函数值下降得更快。为验证成像模型的正确性，设计搭建了3 m长的水下光学成像实验平台，利用相机记录分辨率板透过湍流的成像情况，得到不同平均温度与平均盐度条件下的调制传递函数曲线。对比实验与仿真结果发现，在平均温度10 ℃~30 ℃与平均盐度0 ppt~30 ppt范围内，对比度随平均温度与平均盐度变化趋势相同。该研究对水下光学成像系统的设计优化及水下图像处理具有一定的参考价值。
水下湍流 折射率起伏功率谱 波结构函数 调制传递函数 温度 盐度 Underwater turbulence Power spectrum Wave structure function Modulation transfer function Temperature Salinity 光子学报
2022, 51(12): 1211004
西安交通大学城市学院物理教学部, 陕西 西安 710018
研究频域内流动血液散射的动态激光散斑, 基于单散射近似导出散斑场的功率谱, 并提出从散斑强度获得功率谱的算法。结果表明, 频谱通常由3个参数决定: 静态和动态散斑场之比、特征频率以及固定多普勒频移。提出从模拟功率谱中获得这些参数的算法, 并显示出良好的精度, 提出基于参数测量流速和随机运动的程序。
动态散斑 散斑强度 功率谱 流速 dynamic speckle speckle intensity power spectrum flow velocity
探测和研究大气风场是认知中高层大气结构的最重要的手段之一，其中流星雷达是一种非常好的观测大气风场的手段。为了更好地了解中纬中间层-低热层(MLT)区域大气风场的特征，本文利用 2016年北京流星雷达反演的风场数据进行研究。首先研究了大气平均风场随时间和高度的变化特征，得出 1~3月北京上空 MLT区域的纬向风均以西风为主，经向风南风与北风交替显著，但仍以北风为主导的结论。继而对于 90 km处的大气潮汐波进行研究，通过 Lomb-Scargle功率谱方法和谐波拟合得出了大气潮汐随时间的变动规律，即中纬地区大气水平风场受到的潮汐波影响以半日潮汐为主、周日潮汐次之。
流星雷达 大气风场 大气潮汐 Lomb-Scargle功率谱方法 谐波拟合 meteor radar atmospheric wind field atmospheric tide Lomb-Scargle power spectrum method harmonic fitting 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(7): 653
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
利用单通道恒温热线仪获取采样频率为4000 Hz的风速脉动数据,得到包括含能区、惯性子区以及耗散区的完整风速脉动功率谱。基于功率谱分析法得到近地面大气风速湍流内尺度和湍流动能耗散率随时间的变化规律,分析湍流内尺度和湍流动能耗散率与大气稳定度的相关性,并与三维超声风速计的测量结果进行比较。结果表明:近地面湍流动能耗散率在10 -4~10 -1 m 2/s 3之间,内尺度在10 -3~ 10 -2 m之间;当大气处于稳定条件时,湍流平均动能耗散率为0.0146 m 2/s 3,平均内尺度为0.0089 m;当大气处于不稳定条件时,湍流平均动能耗散率为0.0592 m 2/s 3,平均内尺度为0.0077 m。由于功率谱分析法是直接测量湍流内尺度,因此计算的内尺度最为准确。
大气光学 湍流 内尺度 湍流动能耗散率 大气稳定度 功率谱 热线风速仪 超声风速仪 光学学报
2022, 42(12): 1201002
红外与激光工程
2022, 51(2): 20210889
1 长沙理工大学 土木工程学院, 湖南 长沙 410114
2 广西交科集团有限公司, 广西 南宁 530007
针对预应力波纹管弯曲位置处易出现灌浆不密实问题, 该文提出了一种基于压电波动法的预应力波纹管密实性监测研究方法。在塑料波纹管纵向4个横截面的顶部和底部各粘贴1个压电陶瓷片, 通过其单发单收的“区域交叉”的纵向监测方式, 分析了9个灌浆工况中接收信号幅值、频率和小波包能量的变化规律。当波纹管灌浆料密实时, 其功率谱密度和小波包能量变化明显, 验证了压电波动法监测的有效性。
预应力弯曲波纹管 压电波动法 灌浆密实性 功率谱密度 小波包能量 prestressed bending bellows piezoelectric wave method grouting compactness power spectrum density wavelet packet energy
1 中国航发北京航空材料研究院, 北京 100095
2 航空材料检测与评价北京市重点实验室, 北京 100095
3 中国航空发动机集团材料检测与评价重点实验室, 北京 100095
4 南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室, 江西 南昌 330063
针对金属中微小缺陷在超声检测时回波信号较弱, 利用时域回波信号对微小缺陷试块进行C扫描成像时图像噪声较大且信噪比较低的问题, 借鉴医学超声影像领域中的背散射积分诊断技术, 提出了一种通过计算缺陷回波信号的功率谱(PSD)和频域背散射积分(IBS)来表征微小缺陷的方法。在使用IBS对试块进行成像后发现成像的信噪比较时域成像有显著的提高, 但图像出现了明显的网格化。对此提出了使用频域背散射补偿积分(IBSC)和频域背散射全宽带积分(IBSF)成像的两种改进降噪方法。实验结果表明, 这两种改进的成像方法均能在保持成像具有较高信噪比的条件下抑制图像的网格化, 但IBSC的计算量远小于IBSF, 更适用于金属中微小缺陷的成像检测。
微小缺陷 C扫描成像 功率谱 背散射积分 信噪比 micro defects C-scan imaging power spectrum integrated backscattering signal to noise ratio
1 海军航空大学航空作战勤务学院, 山东 烟台 264000
2 烟台大学光电信息科学与工程学院, 山东 烟台 264000
3 中国人民解放军32200部队, 辽宁 锦州 121000
为了充分利用光学相关识别系统的空间-频谱带宽,提高光学相关识别技术的并行处理效率和识别准确度,提出了基于功率谱压缩-平移算法的多通道联合变换相关识别方法,该方法将峰值位置变化的标准差作为相关识别的判据。在输入空间光调制器的不同区域加载场景图像和N幅参考图像,然后在图像上分别叠加经迭代算法优化的相位模板,使得场景图像的傅里叶谱和每一幅参考图像的傅里叶谱在频谱面的不同空间区域相干叠加。调节相位优化算法的约束参量,使得每个通道的联合变换功率谱互不干扰,可实现N个通道的并行处理。分析了不同优化相位的傅里叶谱的局域峰值杂波均值和相关输出的峰值位置变化标准差之间的关系,并将其作为相位优选的依据。研究结果表明,在所提实验和数值模拟参数条件下,多通道联合变换相关识别系统可以在不增加经典相关识别系统复杂度的前提下,实现16通道的并行处理,这对光学相关器的实用化具有重要意义。
傅里叶光学 光学模式识别 多通道联合变换相关器 相位优化算法 功率谱压缩-平移 光学学报
2021, 41(22): 2207001
