[发明专利]海洋湍流中涡旋光束经粗糙面散射回波光强的计算方法

说明书

本发明公开的海洋湍流中涡旋光束经粗糙面散射回波光强的计算方法，具体为：步骤1、根据Rytov近似，给出光束经过海洋湍流到达粗糙面B点的光场互相干函数表达式＜U_B‑(ρ₁,z)U^*_B‑(ρ₂,z)＞；步骤2、得出LG光束经粗糙面散射后的光场互相干函数＜U_B+(ρ₁)U_B+^*(ρ₂)＞；步骤3、求得LG光束在接收端的光场互相干函数；步骤4、利用质心、差分坐标变换，对LG光束在接收端的光场互相干函数进行化简并积分；步骤5、根据步骤4求得的接收端C的光场互相干函数，即得到海洋湍流中，LG涡旋光束经粗糙面散射回波在任一点处的平均光强。该方法解决了涡旋光束经过海洋湍流后照射粗糙面的回波光强无法获得的问题。

技术领域

本发明属于水下无线光通信(UWOC)技术领域，具体涉及一种海洋湍流中涡旋光束经粗糙面散射回波光强的计算方法。

背景技术

自然界的物体表面相对于光束的波长来说都是粗糙的，为粗糙目标。当光入射到粗糙目标时，光束会发生散射现象，接收端接收到明暗相间的回波光强图，即为散斑图，散斑的空间分布与粗糙目标的表面粗糙度有关。

目前的雷达系统主要以激光为主，海洋湍流中激光经粗糙目标的回波光强研究比较成熟，但激光在探测过程中的损耗严重，导致接收到的散斑可以反映出的粗糙目标信息有限。涡旋光束具有空心光强分布、相位螺旋以及轨道角动量(OrbitalAngularMomentum，OAM)具有正交性等特点，相比高斯光束可以携带更多的信息，拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussianbeam,LG)光束是常用的涡旋光束。涡旋光束在自由空间中照射粗糙面的散斑颗粒的平均尺寸比用高斯光束照明随机表面产生的散斑颗粒平均尺寸小很多，并且随着涡旋光束拓扑荷和光斑半径的增大而减小，在目标探测等领域，使用涡旋光束作为探测光束，不但提高探测精度，还可以反映出更多的目标信息。粗糙目标表面的物理特性(表面粗糙度、形变程度、运动速度、自转速度等)在决定回波特性方面起着非常重要的作用，目前的研究主要利用分形法、小波变换、深度学习等方法对接收端收集到激光散斑图进行处理，可以识别出粗糙目标的表面粗糙度、粗糙目标的形变程度以及粗糙目标的平移速度和自转速度等，但目前对于涡旋光束在海洋湍流中经粗糙面的回波光强的研究是空白的。在此基础上，对海洋湍流下，涡旋光束经粗糙面散射的回波光强展开研究，只有得到涡旋光束的回波光强图，后续才能对接收到的散斑进行分形处理、小波变换、深度学习等，进而反映出更多的粗糙目标信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种海洋湍流中涡旋光束经粗糙面散射回波光强的计算方法，解决了涡旋光束经过海洋湍流后照射粗糙面的回波光强无法获得的问题。

本发明所采用的技术方案是，海洋湍流中涡旋光束经粗糙面散射回波光强的计算方法，具体包括如下步骤：

步骤1、搭建在海洋湍流环境下，建立光束经粗糙目标后的散射回波系统模型，散射回波系统模型包含发射端A、海洋湍流、粗糙面B及接收端C；首先确定发射端A点的光源类型以及接收端A点到粗糙面B点的海洋湍流复相位扰动，根据Rytov近似，给出光束经过海洋湍流到达粗糙面B点的光场互相干函数表达式＜U_B-(ρ₁,z)U^*_B-(ρ₂,z)＞；

步骤2、确定高斯粗糙面的高度分布函数h(ρ)，计算高斯粗糙面的相位扰动再计算LG光束经粗糙面B散射后的光场U_B+(ρ)，得出LG光束经粗糙面散射后的光场互相干函数＜U_B+(ρ₁)U_B+^*(ρ₂)＞；