1 中国民用航空飞行学院理学院, 四川 广汉 618307
2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋观测与探测联合实验室, 山东 青岛 266200
研发能够精确、 实时、 原位获取热液甲烷数据的深海甲烷传感器对深海研究具有非常重要的意义。 前期研制的两款深海甲烷光学成像干涉系统, 均利用甲烷辐射光谱开展甲烷状态参数探测和反演。 首先, 以分子光谱辐射理论为基础, 建立了分子辐射光谱与浓度、 温度、 压强的理论关系式, 结合深海高压环境特点, 建立了基于Lorentz线型的深海分子辐射模型, 该模型为利用光谱法定量反演分子浓度、 温度、 压强等状态参数提供理论依据, 同时为深海分子光谱仿真提供有力工具。 接着, 借助HITRAN分子光谱数据库提供的分子基本谱线参数, 挑选出甲烷成像干涉系统的光源谱线。 对比CH4分子与CO2, H2S, H2O等分子的特征吸收谱线, 在5 990~6 150 cm-1波段范围内, CH4谱线强度比CO2, H2S, H2O等三种干扰分子的谱线强度约高2~3个数量级, 且此波段内甲烷六条有效谱线分布均匀, 谱线间距皆约为2~3 nm, 非常适合采用光谱法进行分子状态参数探测, 因此选择谱线干扰较弱、 谱线分布均匀、 谱线间距适中的甲烷六条谱线(1 640.37, 1 642.91, 1 645.56, 1 648.23, 1 650.96和1 653.72 nm)作为甲烷成像干涉探测系统的目标光源谱线。 最后, 基于深海分子辐射模型和HITRAN数据库的甲烷分子基本谱线参数, 人工合成了甲烷任意浓度, 任意温度和任意压强的辐射光谱数据, 并分析了甲烷辐射光谱随浓度、 温度和压强的变化特征。 对于单一中心谱线, 甲烷分子辐亮度随着浓度的升高而线性增大, 随着温度的升高而非线性增大, 随着压强的升高而非线性减小。 对于全波段谱线, 甲烷辐射光谱的全线宽随着浓度、 温度的升高而变宽, 随着压强的升高而变窄。 建立的深海甲烷辐射光谱理论和仿真分析结果, 可以为基于光谱法的海洋原位甲烷传感器的研制和数据反演提供数据支撑和理论依据。
热液甲烷 辐射光谱 HITRAN分子光谱数据库 成像干涉 Hydrothermal methane Emission spectrum HITRAN Imaging interference 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2714
1 三峡大学理学院，湖北 宜昌 443002
2 中国民航飞行学院，四川 广汉 418307
太赫兹的大气传输特性对太赫兹的空间应用非常重要。对太赫兹波 在Kolmogorov湍流大气中的水平传输特性展开了研究。分析了太赫兹平面波在湍流大气中 传输时其闪烁指数、饱和距离等参数随频率、空间传输距离和湍流强弱程度等因素的变化。 以高斯波束为例，研究了太赫兹波束在湍流大气中传输时闪烁指数、束宽等参数随传输距 离等物理量的演化规律。研究结果表明，在太赫兹波段，频率越高，闪烁指数越大，饱和 距离就越小。总体上看，太赫兹波在大气中传输时受大气湍流的影响程度介于光波和微波 之间；对于太赫兹大气通信和成像等短程应用，太赫兹波在湍流大气中传输时一般都处于 弱起伏状态；但对于太赫兹雷达和遥感等应用，由于传输距离较远，可能会出现强起伏。
大气光学 太赫兹 湍流大气 传输 闪烁指数 atmospheric optics terahertz turbulent atmosphere propagation scintillation index
1 中国民用航空飞行学院计算机学院, 四川 广汉 618307
2 四川大学空天科学与工程学院, 四川 成都 610064
利用连续小波变换实现三维重建过程中，其重建效果往往取决于小波函数的选择。小波函数在空域和频域的表现，决定着数据处理的效率和效果。不同的小波函数自身具有不同的表现，其频域部分往往有不同的旁瓣产生。讨论了复Gauss系列小波频域旁瓣对三维面形重建的影响，计算得到复Gauss小波随微分阶数增加其旁瓣有变小的趋势，理论分析和实验结果均得到其局部分析能力呈趋好的规律。通过引入复Morlet小波和Mexican hat小波函数，进一步验证了频域旁瓣对重建效果的规律性影响，实验结果与理论分析吻合较好。
傅里叶光学 连续小波变换 三维重建 小波函数 复Gauss系列小波 频域旁瓣
1 四川大学电子信息学院, 四川 成都 610064
2 中国民航飞行学院物理教研室, 四川 广汉 618307
运用维格纳分布函数与广义惠更斯菲涅耳原理，推导出部分相干光束在任意折射率起伏功率谱模型的大气湍流中斜程传输时，其束宽传输的一般解析表达式。在此基础上，以部分相干平顶(PCFT)光束为例，给出了PCFT光束在大气湍流中斜程传输的束宽扩展解析表达式。在合肥地区大气折射率结构常数高度分布模式下开展了数值计算和分析，并与水平传输时的结果进行了比较。研究结果表明，光束在斜程传输时的束宽不仅与光束阶数、空间相干度、束腰半径、湍流的强弱和传输距离有关，还与天顶角密切相关。光束的阶数越高，空间相干性越差，天顶角越小，则其束宽扩展受湍流的影响就越小。当天顶角小于60°时，大气湍流对斜程传输光束束宽的影响明显小于水平传输的情况。
大气光学 激光光学 斜程传输 维格纳分布函数 部分相干平顶光束 束宽扩展 光学学报
2012, 32(12): 1201001
中国民航飞行学院 物理教研室, 四川 广汉 618307
基于广义惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数方法, 推导出了部分相干双曲正弦高斯(ShG)光束在湍流大气中M2因子的解析表达式。在此基础上研究了部分相干ShG光束的湍流距离, 即湍流引起的光束扩展可忽略的范围。采用Von Karman谱分别对M2因子和湍流距离进行了数值计算, 并分析了内外尺度的影响。研究表明: M2因子随束腰宽度和离心参数的增加存在极小值; 湍流距离随束腰宽度的增加存在极大值, 随离心参数的增加而增加, 大气湍流对离心参数较大的光束影响较小。另外, M2因子和湍流距离与折射率结构参数、内尺度、外尺度、波长和相干参数等密切相关。
大气光学 大气湍流 M2因子 湍流距离 部分相干双曲正弦高斯光束 atmospheric optics atmospheric turbulence M2 factor turbulence distance partially coherent sinh-Gaussian beam
1 四川大学 电子信息学院， 成都 610064
2 宜宾学院 计算物理重点实验室， 四川 宜宾 644007
3 中国民航飞行学院 物理教研室, 四川 广汉 618307
基于广义惠更斯-菲涅耳原理和Wigner分布函数二阶矩的定义，推导出直角坐标系下大气湍流中部分相干光的M2因子传输公式。以厄米-高斯(H-G)光束为例，给出了H-G光束通过大气湍流传输后M2因子的解析表达式，并采用Tatarskii谱，详细讨论了M2因子的主要影响因素。结果表明，M2因子主要由光束的束腰宽度、波长、光束阶数、大气湍流的折射率起伏结构常数和在湍流中传输距离决定。随着光束阶数、折射率起伏结构常数及传输距离的增大，M2因子明显增大，光束阶数越高，湍流对M2因子变化的影响越小。对于给定的传输距离，存在最佳初始束宽，使M2因子最小。
厄米-高斯光束 大气湍流 Wigner分布函数 二阶矩 M2因子 Hermite-Gaussian beam atmospheric turbulence Wigner distribution function second-order moments M2-factor
1 中国民航飞行学院物理教研室, 四川 广汉 618307
2 华中科技大学多谱信息处理技术国防科技重点实验室, 湖北 武汉 430074
基于广义惠更斯菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩方法, 推导出部分相干双曲余弦高斯(ChG)光束在湍流大气中的束宽、远场发散角和M2因子的解析表达式。研究结果表明, 部分相干ChG光束在湍流大气中传输时, 均方根角宽度、M2因子和相对M2因子随着传输距离的增大而增大, 且与束腰宽度、波长、离心参数、相干参数及湍流强度等有关; 均方根角宽度随着光束离心参数的增大存在极小值。当传输距离较远时, 随着离心参数的增大, M2因子存在极小值; 离心参数较大的光束受湍流的影响较小。
大气光学 二阶矩 M2因子 部分相干双曲余弦高斯光束
1 四川大学电子信息学院, 四川 成都 610064
2 中国民航飞行学院物理教研室, 四川 广汉 618307
基于广义惠更斯菲涅耳原理, 利用Rytov近似理论, 推导出环状光束在湍流大气介质中光强分布的解析表达式。在此基础上, 根据强度二阶矩定义, 推导出环状光束在大气湍流中传输的M2因子的表达式。最后, 详细讨论了环状光束在湍流介质中的传输变换特性及其光束质量变化。研究结果表明, 环状光束在湍流介质中传输时, 湍流的强弱直接影响着环状光束传输变换的程度和快慢。由于湍流的影响, 环状光束在传输过程中由完全相干光变成部分相干光。环状光束在湍流中传输的M2因子与光束遮拦比、湍流强度、光束波长以及传输距离有关。选择合适的光束遮拦比和波长等光束参数, 可以有效地控制激光束在湍流介质中传输的光束质量。
大气光学 环状光束 大气湍流 传输特性 光束质量 M2因子
1 四川大学 电子信息学院,四川 成都 610064
2 中国民航飞行学院 物理教研室,四川 广汉 618307
采用广义惠更斯菲涅耳衍射积分方法和Wigner分布函数的二阶矩定义,推导出在直角坐标系下激光光束经大气湍流传输的远场发散角、束宽以及M2因子的解析表达式,并以复宗量厄米高斯(EHG)光束为例,定量分析了EHG光束在大气湍流中的传输特性。研究表明,光束在大气湍流中传输后的M2因子与入射面上的M2因子、入射面的二阶矩、传输距离、波数以及湍流的影响因子有关;随着在大气湍流中传输距离的增加,EHG光束的远场发散角、束宽和M2因子均会逐渐增大;大气湍流对高阶EHG光束的远场发散角、束宽和M2因子的影响更小;EHG光束在大气湍流中的M2因子与传输距离、湍流的折射率结构参数、光束波长、光束阶数以及基模高斯光束的束腰宽度密切相关。
大气光学 传输特性 二阶矩 M2因子 复宗量厄米高斯光束
1 四川大学 电子信息学院,四川 成都 610064
2 中国民航飞行学院 物理教研室,四川 广汉 618307
利用部分相干光理论,以具有双正交性质的复宗量厄米高斯(EHG)模为基底,推导出激光的EHG模相关系数(MCCs)和M2因子公式,建立了激光的EHG相干模表示与对应的常规厄米-高斯(SHG)相干模表示之间的关系,并讨论了两种典型的应用例。研究结果表明,激光的EHG模相关系数可以通过SHG模相关系数得到;当同阶模式的权重因子相同时,由彼此互不相关的EHG模式叠加而成的光束比由彼此互不相关的SHG模式叠加而成光束的光束质量更好。
激光光学 复宗量厄米高斯模 双正交基底 模相关系数 M2因子
