采用外差式差分相移键控(Differential phase-shift keying, DPSK)调制的水下无线光通信(Underwater wireless optical communication, UWOC)系统经过Gamma Gamma强海洋湍流信道传输, 当接收端与发送端之间存在瞄准误差并采用孔径接收方式时, 分析了湍流效应和瞄准误差对接收光强的抖动影响, 推导了UWOC系统的平均误码率(Bit error rate, BER)和中断概率(Outage probability, OP)的解析表达式。数值模拟研究了不同的瞄准误差、束宽、接收孔径和海洋湍流参数对平均BER和OP性能的影响。结果表明, 在相同的束宽和信道环境下, 瞄准误差越大, 系统性能越差; 光束束宽与孔径半径之比越大, 接收孔径直径越大, 系统性能越好; 另外, 选择较小的温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值?棕和均方温度耗散率?字T, 以及较大的湍流动能耗散率?着和动力粘度u的海洋湍流环境也有利于获得较好的系统性能。

针对水下场景目标探测图像质量退化问题, 提出了一种自适应计算水体衰减系数暗通道融合多尺度Retinex(Multi-scale Retinex, MSR)的复原算法, 有效实现了水下目标的复原。通过搭建的水下成像测量装置, 借助成像系统获取水下模拟环境的探测图像, 对水下探测图像按照算法流程图逐步处理, 得到了有效复原水下目标辐射信息的图像。为客观评价算法的效果, 采用对比度、平均梯度与信息熵作为定量评价指标因子, 对该算法与常规三种算法进行了定量对比研究, 结果表明, 该算法处理结果各项定量评价指标因子均优于选取的对比算法。研究结果为水下目标探测提供了基础理论探索方法, 对水下目标探测实施开展具有一定的指导意义。

针对现有体散射测量系统中激光器与探测器相互遮挡导致探测角度减小的问题, 设计了一款新型的水中颗粒物的体散射函数测量系统。首先, 通过双潜望式光路结构, 将激光发生平面与散射探测平面分离, 减小了激光器对探测角度的遮挡; 同时, 通过潜望式出射棱镜将透射光导出水体, 避免了容器的杯壁散射, 提高背散射测量的准确性。根据实际工艺, 改进出射棱镜, 设计系统样机, 实现了3°~178°大角度范围体散射函数的测量。结合系统结构与水下光传输原理, 根据数据矫正算法, 矫正由于测量光程及水体衰减造成的偏差。对比矫正后结果与米散射仿真结果, 证明方法的可靠性。

采用紫外-可见分光法测量不同浓度的海水相对于纯水的吸光度, 为达到高精度检测海水吸光度的要求, 在检测海水吸光度时将仪器本身固有的背景信号及样品容器之间的差异所产生的误差纳入研究范畴, 对实验方法展开进一步的优化, 利用差减的方法滤除背景信号的干扰, 同时验证了比色皿空杯相对于空气吸光度的重复性及比色皿之间相对于空气吸光度的差异性, 再利用差减的方法滤除比色皿之间的差异所带来的误差, 并且选取一定的特征波长观察其相对于纯水的吸光度数据, 验证了运用优化后的实验检测方法最终达到高精度测量海水吸光度的目的(＜0.000 5 AU), 对于精确检测高透明度水域中的各种物质具有重要意义。

采用半解析蒙特卡洛方法, 开发了一套星载海洋激光雷达回波信号的仿真系统。通过输入激光雷达系统参数和仿真的环境参数, 该系统能够模拟具有不同光学特性的大气和海洋的激光雷达回波信号。同时该仿真系统设计了用户友好的软件界面方便用户对输入参数进行操作, 并直观地看到输出结果。利用该系统进行了多种仿真, 例如不同类型水体以及不同散射相函数的情况, 并将仿真结果与理论的激光雷达信号做了对比, 具有较高的一致性。该系统对星载海洋激光雷达探测机理的研究有一定的指导意义。

水下可见光通信(UVLC)是实现高速宽带信息传输的有效方案, 但由于受到信道中吸收、散射和湍流的不利影响而面临着许多困难。针对水下湍流信道中多径和衰落带来的影响, 提出了一种光正交频分复用(O-OFDM)等增益合并的分集方案, 根据广义的朗伯定律得到信道增益, 通过对数正态分布模拟信号衰落。采用蒙特卡洛方法对正交幅度调制(QAM)的非对称削波光正交频分复用(ACO-OFDM)和直流偏置光正交频分复用(DCO-OFDM) 两种分集系统进行建模仿真, 分析高斯信道和弱湍流信道下系统的误比特率, 探讨不同分集数目和闪烁系数情况下的分集增益。研究结果验证了分集是降低湍流影响的有效手段, 有利于改善水下信息传输性能, 为弱湍流信道下正交频分复用可见光通信系统的设计、预测和评估提供参考。

海洋激光雷达是探测上层海水并构建海洋立体观测网络的重要遥感设备。文中将激光雷达实验数据与MC (Monte Carlo)仿真、解析模型、原位数据进行综合对比, 检验它们的匹配程度。与实验实测的激光雷达回波信号相比, MC仿真和解析模型均有很高的一致性(R■>0.97), 将原位漫射衰减系数(K■)近似代入普通激光雷达方程也有较好的一致性(R■>0.92)。反演得到的激光雷达衰减系数(α)表现出了相似的结果, MC仿真和解析模型具有更佳的一致性。结果表明: 海洋激光雷达实验结果能与MC和解析模型的仿真结果很好地匹配。

采用公式推导和仿真优化相结合的方式, 设计了一种测量水深的LiDAR光机系统。该系统光源采用532 nm和1 064 nm双频激光器, 设计532、647、1 064 nm三个接收通道, 拟定飞行高度140~500 m, 可变扫描角9°~15°, 发散角小于0.5 mrad, 水面点密度范围约为0.687~4.170点/m2。设计拉曼波段作为水深测量波段, 提高浅水区测量效果, 利用可变扫描角实现了不同高度下幅宽可固定、兼顾高分辨率和大视场角, 以适应不同应用场景。

水下光谱成像技术在水下目标物识别、海洋生态监测等领域有着重要作用。基于实际工程使用环境设计了基于液晶可调谐滤光片(LCTF)的水下光谱成像系统。该系统通过采用LCTF作为滤光结构以获得水下目标物的光谱信息。水下光谱成像系统在宽光谱LED光源的照明下, 进行水池实验获得了目标物在波长400~700 nm之间的31个通道光谱图像。对水下具有相似颜色的不同物体的光谱信息进行了讨论和分析, 结果表明: 该系统有助于水下目标物识别和分类。在海试中对珊瑚进行了原位观测, 成功获取了珊瑚礁的水下光谱图像。该系统有望应用于海洋遥感、海洋生态环境监测等领域。

蓝绿激光在水下目标非声探测中具有广泛的应用前景, 但现有的探测模型尚未考虑探测概率与自导系统的匹配问题。为了获得最佳探测效果, 建立基于脱靶量的水下目标激光周视扫描探测模型。仿真结果表明: 随脱靶量增加, 在相同发射频率下, 增大光束发射倾角能显著提高探测概率, 但减少了后级系统的处理时间; 此外, 随脱靶量增加, 为避免探测漏检, 应提高发射频率, 减小光束发射步进角度。最后, 通过仿真分析给出不同脱靶量下探测系统关键参数的最优设计。文中所建模型对探测系统、自导系统的匹配设计提供了一定的理论参考。