شماره ركورد
34181
پديد آورنده
امير دانشمند كشاورز
عنوان
شبيه¬سازي امواج الكترومغناطيسي (طيف مرئي) در انتشار از هوا به آب
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
فوتونيك
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/07/28
استاد راهنما
دكتر فاطمه دباغ كاشاني
استاد مشاور
ندارم
دانشكده
فيزيك
چكيده
انتشار امواج الكترومغناطيسي در محيطهاي متلاطم، بهويژه در فصل مشترك هوا-آب، از موضوعات مهم و چالشبرانگيز در فيزيك اپتيك و مهندسي فوتونيك بهشمار ميرود و نقش كليدي در عملكرد سامانههايي نظير مخابرات نوري آزاد، مخابرات نوري زيرآبي، ليدارهاي دريايي و سامانههاي سنجش از دور ايفا ميكند. تلاطم و ناهمواري سطح آب كه عمدتاً تحت تأثير باد و تلاطمهاي سطحي ايجاد ميشود، موجب ايجاد تلاطم¬هاي آماري بر جبهه موج نوري شده و پديدههايي نظير انحراف پرتو، جابهجايي مركز باريكه و نوسانات شدت سيگنال دريافتي را بههمراه دارد. اين اثرات ميتوانند منجر به كاهش دقت تصويربرداري، افت نسبت سيگنال به نويز و افزايش نرخ خطاي بيت در سامانههاي نوري عبوري از فصل مشترك هوا-آب شوند.
در اين پژوهش، انتشار امواج الكترومغناطيسي در طيف مرئي هنگام گذر از محيط متلاطم اتمسفري و عبور از سطح مواج هوا–آب به محيط آبي، بهصورت عددي و مبتني بر دادههاي تجربي شبيهسازي و تحليل شده است. بدين منظور، ابتدا سطح متلاطم آب با استفاده از دادههاي آزمايشگاهي و بهكارگيري روشهاي پردازش تصوير بازسازي گرديد. با استخراج ميدان جابهجايي نقاط تصوير و محاسبه شيب موضعي سطح، يك مدل سهبعدي پيوسته از توپوگرافي لحظهاي سطح آب ايجاد شد كه نمايانگر رفتار واقعي امواج سطحي تحت شرايط مختلف باد است. اين مدل بهعنوان مرز مشترك دو محيط هوا و آب در شبيهسازيهاي اپتيكي مورد استفاده قرار گرفت.
در ادامه، مسير پرتوهاي نوري با استفاده از روش رهگيري پرتو و بر اساس قوانين كلاسيك بازتاب و شكست نور شبيهسازي شد. براي هر پرتو، زاويه تابش، بردار نرمال موضعي سطح، زاويه شكست و زاويه بازتاب محاسبه گرديد و اثر تلاطم سطحي بر انحراف پرتو بهصورت آماري مورد بررسي قرار گرفت. همچنين توابع چگالي احتمال زواياي شكست و بازتاب استخراج و وابستگي آنها به پارامترهايي نظير سرعت و زاويه باد تحليل شد. نتايج بهدستآمده نشان ميدهد كه با افزايش شدت تلاطم سطحي، پراكندگي زاويهاي پرتوها بهطور قابل توجهي افزايش يافته و نوسانات سيگنال دريافتي تشديد ميشود.
در نهايت، نتايج شبيهسازي عددي با دادههاي تجربي مقايسه شده و همخواني مناسبي ميان آنها مشاهده گرديد كه بيانگر اعتبار مدل ارائهشده است. چارچوب شبيهسازي توسعهيافته در اين تحقيق، ابزاري كارآمد براي تحليل كمي اثرات تلاطم سطحي بر انتشار نور بوده و ميتواند در طراحي و بهينهسازي سامانههاي ارتباطات نوري زيرآبي، ليدارهاي دريايي و سيستمهاي نوري عبوري از فصل مشترك هوا–آب مورد استفاده قرار گيرد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/09/25
عنوان به انگليسي
Simulation of Electromagnetic Wave Propagation (Visible Spectrum) from Air to Water
تاريخ بهره برداري
10/20/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
امير دانشمندكشاورز
چكيده به لاتين
Propagation of electromagnetic waves in turbulent media, particularly across the air–water interface, is considered one of the important and challenging topics in optical physics and photonic engineering, playing a key role in the performance of systems such as free-space optical communications, underwater optical communications, marine LiDAR, and remote sensing systems. Turbulence and roughness of the water surface, mainly induced by wind and surface wave fluctuations, introduce statistical distortions to the optical wavefront, leading to phenomena such as beam deflection, beam centroid displacement, and fluctuations in the received signal intensity. These effects can result in reduced imaging accuracy, degradation of the signal-to-noise ratio, and increased bit error rates in optical systems propagating across the air–water interface.
In this study, the propagation of visible-spectrum electromagnetic waves through a turbulent atmospheric medium and across a wavy air–water surface into the aquatic environment is numerically simulated and analyzed based on experimental data. To this end, the turbulent water surface is first reconstructed using laboratory measurements and image processing techniques. By extracting the displacement field of image points and calculating the local surface slopes, a continuous three-dimensional model of the instantaneous water surface topography is generated, accurately representing the realistic behavior of surface waves under various wind conditions. This model is employed as the air–water interface in the optical simulations.
Subsequently, the propagation paths of optical rays are simulated using the ray-tracing method based on the classical laws of reflection and refraction. For each ray, the angle of incidence, local surface normal vector, refraction angle, and reflection angle are calculated, and the influence of surface turbulence on beam deviation is statistically investigated. Moreover, the probability density functions of the refraction and reflection angles are extracted, and their dependence on parameters such as wind speed and wind direction is analyzed. The results indicate that increasing surface turbulence intensity significantly enhances the angular spreading of the rays and intensifies fluctuations in the received signal.
Finally, the numerical simulation results are compared with experimental data, showing good agreement and thereby validating the proposed model. The simulation framework developed in this research provides an efficient tool for the quantitative analysis of surface turbulence effects on optical wave propagation and can be utilized in the design and optimization of underwater optical communication systems, marine LiDAR, and optical systems operating across the air–water interface.
كليدواژه هاي فارسي
پردازش تصوير , ارتباطات نوري زيرآب , نرخ خطاي بيت , شبيه سازي تجربي , اثرات موج سطحي روي آب
كليدواژه هاي لاتين
Image Processing , Underwater Optical Communications , Bit Error Rate (BER) , Experimental Simulation , Effects of Surface Waves on Water
Author
Amir Daneshmand Keshavarz
SuperVisor
Fatemeh Dabagh Kashani