hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667319040087hydrophysics-49Research ArticleГИДРООПТИКАHYDROOPTICSМоделирование распространения сложно модулированного светового импульса в морской водеSimulation of complexly modulated light pulse propagation in sea waterЛучининА. Г.LuchininA. G.

Нижний Новгород

Nizhny Novgorod

luch@appl.sci-nnov.ruКириллинМ. Ю.KirillinM. Yu.

Нижний Новгород

Nizhny Novgorod

Институт прикладной физики РАНРоссияInstitute of Applied Physics RASRussian Federation2019291120211246677Copyright © Лучинин А.Г., Кириллин М.Ю., 20212021Лучинин А.Г., Кириллин М.Ю.Luchinin A.G., Kirillin M.Y.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/49

Перевод на англ. яз.: Е.С. Кочеткова

Исследованы характеристики распространяющегося в воде светового импульса, модулированного радиосигналом с линейно изменяющейся во времени частотой. Анализ выполнен на основе статистического моделирования импульсных и частотных характеристик сигнала и аналитического представления сигнала в виде импульса, описываемого функцией Гаусса с внутриимпульсной модуляцией. Оценены изменения времени прихода и длительности огибающей импульса, вызванные разбросом фотонов по путям пробега при расстояниях между источником и приемником до четырех глубин видимости белого диска. Показано, что эти изменения могут иметь разные знаки в зависимости от частотного диапазона модуляции. Выполнено сравнение времен прихода и длительности импульса с меняющейся во времени частотой и импульса после согласованной обработки – свертки с копией модулирующего сигнала. Показано, что в исследованном диапазоне изменения параметров многократное рассеяние не препятствует сжатию сложного сигнала при его согласованной обработке.

The characteristics of a light pulse propagating in water modulated by a radio signal with a frequency varying linearly with time are investigated. The analysis is based on statistical modeling of the pulse and frequency characteristics of the signal and the analytical representation of the signal as a pulsedescribed by a Gaussian function with intrapulse modulation. Changes in the arrival time and the pulse envelope duration caused by the photon pathlength dispersion at distances between the source and receiver up to four white disk visibility depths are estimated. It is shown that these changes may have different signs depending on the modulation frequency range . A comparison was made between arrival times and durations of the pulse with a time-varying frequency and the pulse after matched processing consisting in convolution with the original modulating signal. It is shown that in the investigated range of parameter changes, multiple scattering does not prevent the compression of a complex signal when it is matched processing.

подводная оптическая связьсложные сигналыволны фотонной плотностивременная дисперсиясогласованная обработкаМонте-Карло моделированиеunderwater optical communicationcomplex signalsphoton density wavestemporal dispersionmatched processingMonte Carlo simulationThis study was supported by the Russian Foundation for Basic Research (project 19-02-0089) and by the State project “Development of radiophysical methods for ocean research” (0035-2019-0006)ReferencesЛучинин А.Г., Савельев В.А. О распространении синусоидально модулированного светового пучка в рассеивающей среде // Изв. Вузов. Радиофизика. 1969. Т. 12, № 2. С. 256—262.Luchinin A.G., Savel’ev V.A. Propagation of a sinusoidally modulated light beam through a scattering medium. Radiophysics and Quantum Electronics. 1969, 12, 2, 205—211.Лучинин А.Г., Савельев В.А. Асимптотика синусоидально модулированного излучения в изотропно рассеивающей среде // Изв. Вузов. Радиофизика. 1970. Т. 13, № 12. С. 1789—1793.Luchinin A.G., Savel’ev V.A. The asymptotic behavior of a sinusoidally modulated radiation field in an isotropically scattering medium. Radiophysics and Quantum Electronics. 1970, 13, 12, 1378—1382.Кацев И.Л. О глубинном режиме при распространении в мутной среде синусоидально модулированного пучка света // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1971. Т. 8, № 2. С. 212—216.Katzev I.L. The asymptotic regime in the deep layers of scattering medium illuminated by sinusoidally modulated light beam. Izv.Acad. Sci. USSR Atmos. Oceanic Phys. 1971, 7, 2, 212—218.Лучинин А.Г. О пространственной структуре синусоидально модулированного пучка света в среде с сильно анизотропным рассеянием // Изв. Вузов. Радиофизика. 1971. Т. 14, № 12. С. 1925—1927.Luchinin A.G. The spatial structure of a sinusoidally modulated light beam in a medium having strongly anisotropic scattering. Radiophysics and Quantum Electronics. 1971, 14, 1507—1509.Лучинин А.Г. Пространственный спектр узкого синусоидально модулированного пучка света в анизотропно рассеивающей среде // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1974. Т. 10, № 12. С. 1312—1317.Luchinin A.G. Spatial spectrum of a narrow sine-wave-modulated light beam in an anisotropically scattering medium. Izv. Acad. Sci. USSR Atmos. Oceanic Phys. 1974, 10, 12, 1312—1317.Ремизович В.С., Рогозкин Д.Б., Рязанов М.И. Распространение узкого модулированного пучка света в рассеивающей среде с учетом флуктуаций путей фотонов при многократном рассеянии // Изв. Вузов. Радиофизика. 1982. Т. 25, № 8. С. 891—898.Remizovich V.S., Rogozkin D.B., Ryazanov M.I. Propagation of a narrow modulated light beam in a scattering medium with fluctuations of the photon pathlengths in multiple scattering. Radiophysics and Quantum Electronics. 1982, 25, 639—646.Mullen L., Laux A., Concannon B., Zege E.P., Katsev I.L., Prikhach A.S. Amplitude-Modulated Laser Imager // Applied Optics. 2004. V. 43. P. 3874—3892.Mullen L., Laux A., Concannon B., Zege E.P., Katsev I.L., Prikhach A.S. Amplitude-Modulated Laser Imager. Applied Optics. 2004, 43, 3874—3892.Zege E.P., Katsev I.L., Prikhach A.S., Mullen L.J. Simulating the performance of in-water modulated vision systems with estimation of the image quality characteristics // Proceedings of the International Conference on Current Problems in Optics of Natural Waters (ONW’2005). Saint-Petersburg, D.S. Rozhdestvensky Optical Society, 2005. P. 312—320.Zege E.P., Katsev I.L., Prikhach A.S., Mullen L.J. Simulating the performance of in-water modulated vision systems with estimation of the image quality characteristics. Proceedings of the International Conference on Current Problems in Optics of Natural Waters (ONW’2005). Saint-Petersburg, D.S. Rozhdestvensky Optical Society, 2005, 312—320.Luchinin A.G. Concept of an oceanological lidar with maximal 3D resolution // Proceedinds of VI International conference “Current problems in optics of natural waters”. Saint-Petersburg: Nauka, 2011. P. 37—43.Luchinin A.G. Concept of an oceanological lidar with maximal 3D resolution. Proceedinds of VI International conference “Current problems in optics of natural waters”. Saint-Petersburg, Nauka, 2011, 37—43.Лучинин А.Г. Теория подводного лидара со сложно модулированным пучком подсветки // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48, №6. С. 739—748.Luchinin A.G. Theory of underwater lidar with a complex modulated illumination beam. Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 2012, 48, 6, 663—671.Лучинин А.Г. О системах подводного видения со сложно модулированными пучками подсветки // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2012. Т. 5, № 4. С. 5—17.Luchinin A.G. On Underwater Imaging Systems with Complex Modulated Beams of Illumination. Fundamentalnaya i Prikladnaya Gidrofizika. 2012, 5, 4, 5—17 (in Russian).Лучинин А.Г., Долин Л.С. Модель системы подводного видения со сложно модулированным пучком подсветки // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50, № 4. С. 468—476.Luchinin A.G., Dolin L.S. Model of an underwater imaging system with a complexly modulated illumination beam. Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 2014, 50, 4, 411—419.Лучинин А.Г., Долин Л.С. Применение сложно модулированных волн фотонной плотности для инструментального видения в мутных средах // Докл. АН. Физика. 2014. Т. 455, № 6. С. 643—646.Luchinin A.G., Dolin L.S. Application of complex-modulated waves of photon density for instrumental vision in turbid media. Doklady Physics. 2014, 59, 4, 170—172.Лучинин А.Г., Долин Л.С. О дисперсионных свойствах волн фотонной плотности в анизотропно рассеивающих средах // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2016. Т. 59, № 2. С. 162—170.Luchinin A.G., Dolin L.S. On dispersive properties of the photon-density waves in an anisotropic scattering medium. Radiophysics and Quantum Electronics. 2016, 59, 2, 145—152.Лучинин А.Г., Кириллин М.Ю. Структура модулированного узкого пучка света в морской воде: моделирование методом Монте-Карло // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53, № 2. С. 275—284.Luchinin A.G., Kirillin M.Yu. Structure of a modulated narrow light beam in seawater: Monte Carlo simulation. Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 2017, 53, 2, 242—249.Luchinin A.G., Kirillin M.Yu., Dolin L.S. Backscatter signal in underwater lidars: temporal and frequency features // Appl. Opt. 2018. V. 57. P. 673—677.Luchinin A.G., Kirillin M.Yu., Dolin L.S. Backscatter signal in underwater lidars: temporal and frequency features. Appl. Opt. 2018, 57, 673—677.Luchinin A.G., Kirillin M.Yu. Temporal and frequency characteristics of a narrow light beam in sea water // Applied Optics. 2016. V. 55. P. 7756—7762.Luchinin A.G., Kirillin M.Yu. Temporal and frequency characteristics of a narrow light beam in sea water. Applied Optics. 2016, 55, 7756—7762.Гордеев Л.Б., Лучинин А.Г., Щегольков Ю.Б. Экспериментальные исследования структуры узкого синусоидально модулированного пучка света в модельной анизотропно рассеивающей среде // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1975. Т. 1, № 1. С. 86—89.Gordeev L.B., Luchinin A.G., Shcegol’kov Yu.B. Experimental studies of the structure of a narrow sine-wave-modulated light beam in a model anisotropically scattering medium. Izv. Atmos. Ocean. Phys. 1975, 11, 50—53.Mullen L., Laux A., Concannon B., Zege E.P., Katsev I.L., Prikhach A.S. Demodulation techniques for the amplitude modulated laser imager // Applied Optics. 2007. V. 46. P. 7374—7383.Mullen L., Laux A., Concannon B., Zege E.P., Katsev I.L., Prikhach A.S. Demodulation techniques for the amplitude modulated laser imager. Applied Optics. 2007, 46, 7374—7383.Cochenour B., Mullen L., Muth J. Modulated pulse laser with pseudorandom coding capabilities for underwater ranging, detection, and imaging // Applied Optics. 2011. V. 50. P. 6168—6178.Cochenour B., Mullen L., Muth J. Modulated pulse laser with pseudorandom coding capabilities for underwater ranging, detection, and imaging. Applied Optics. 2011, 50, 6168—6178.Mullen L., Lee R., Nash J. Digital passband processing of wideband-modulated optical signals for enhanced underwater imaging // Applied Optics. 2016. V. 55(31). C18—C24.Mullen L., Lee R., Nash J. Digital passband processing of wideband-modulated optical signals for enhanced underwater imaging. Applied Optics. 2016, 55(31), C18—C24.Bartolini L., De Dominicis L., de Collibus M.F., Fornetti G., Guarneri M., Paglia E., Poggi C., Ricci R. Underwater threedimensional imaging with an amplitude-modulated laser radar at a 405 nm wavelength // Applied Optics. 2005. V. 44(33). P. 7130—7135.Bartolini L., De Dominicis L., de Collibus M.F., Fornetti G., Guarneri M., Paglia E., Poggi C., Ricci R. Underwater threedimensional imaging with an amplitude-modulated laser radar at a 405 nm wavelength. Applied Optics. 2005, 44(33), 7130—7135.Luchinin A.G., Dolin L.S., Kirillin M.Yu. Time dispersion delay and width variation of complex modulated signal in underwater lidar // Applied Optics. 2019. V. 58. P. 5074—5085.Luchinin A.G., Dolin L.S., Kirillin M.Yu. Time dispersion delay and width variation of complex modulated signal in underwater lidar. Applied Optics. 2019, 58.Иванов A. Введение в океанографию. М.: Мир, 1978. 574 с.Иванов A. Введение в океанографию. М.: Мир, 1978. 574 с.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.