实际大气中激光强度起伏的全年统计特征

对实际湍流大气中的激光强度起伏了系统的实验观测,详细分析了光强起伏的强度概率密度分布与功率谱的统计特征及春周日,全年变化规律。同时分析了探测器件的饱和铲应结果的影响。     

大气湍流对激光通信系统的影响

从分析激光在大气湍流场中的传输方程出发,忽略系统中的其它噪声,仅考虑由大气喘流引起的系统误码率,讨论了激光信号在传输过程中的振幅起伏以及强度起伏;推导出由大气湍流引起的光强起伏和系统误码率的关系,结果表明:在弱起伏条件下,对于系统误码率为10－9以下的要求,光强起伏应小于0.67;随着湍流强度C2n的增大,误码率增加很快;采用长波长的激光进行传输可以有效地降低系统误码率.     

湍流内尺度对光波起伏频谱的影响

在不同湍流内尺度情况下,对大气湍流引起的光波光强闪烁和到达角起伏的时间频谱特征进行了实验研究。由于实际大气湍流的复杂性和不可控性,利用大气湍流模拟箱来生成具有不同内尺度的大气湍流实验环境。利用位置敏感探测器对光波的光强闪烁和到达角起伏进行了同时测量,并反演得到了光传输路径上的湍流内尺度。实验结果显示:湍流内尺度为2.7~5.0 mm,对应同一湍流内尺度,闪烁频谱和到达角起伏频谱在高频段以相同的幂指数关系下降,幂指数的绝对值与湍流内尺度的大小呈线性关系,随着内尺度的增大,频谱指数变化区间逐渐向低频方向移动。     

上下行传输孔径接收光强起伏特性分析

为了研究地星上行和星地下行激光链路孔径内接收光强信号的典型特征,基于大气湍流理论和位相屏方法,计算了短波和中波红外激光在特定大气相干长度条件下,孔径内接收激光功率与总功率的比值及起伏情况。根据统计结果讨论了上下行大气通道传播特性的差异,结果表明相同外界条件下,直径50 cm孔径内接收的下行激光信号强度大于上行激光信号强度1个数量级以上,其信号的起伏程度也低于上行激光;中等湍流下,下行激光孔径接收光强的概率分布函数服从对数正态分布,最大概率接收功率比与无湍流条件下的功率比值一致,分别为0.42%(1.315 m)和 0.26%(3.8 m)。     

部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应

以修正Rytov方法为基础,利用部分相干高斯-谢尔(GSM)光束模型并结合Andrews的唯像闪烁模型,研究部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应。推导出适用于不同湍流情形的部分相干光对数光强起伏方差表达式,系统分析了部分相干光在大气湍流中的光强起伏方差。结果表明:在同等的湍流环境下,部分相干光比完全相干光的光强起伏方差要小;光束相干性越差,光强起伏越小,抗湍流能力越强。在不同大气湍流情形下,光源相干性、大气折射率常数等参数对光强起伏都有不同程度的影响。     

激光大气闪烁的间歇特征

 以小波变换法观察了湍流大气中激光光强起伏的间歇特征, 并用奇性测度进行了定量的描述。根据间歇性参量的周日变化规律发现：激光大气闪烁的间歇性存在于所有的时间和起伏条件下,并且保持稳定,间歇性参量约为0.1,基本不随起伏条件和时间变化。     

基于大气湍流效应的双波长激光传输特性实验研究

为研究大气湍流作用下不同波长激光信号的传输特性,建立了基于双波长条件下的激光光束传输实验测试系统,在此基础上进行了室外实验测量,得到了双波长光束同信道传输时的光束漂移和光强起伏变化的测试数据。实验结果表明,大气湍流对激光信号的传输具有较大的影响,且光强的闪烁系数与波长有很大的关系,选择波长较长的激光束可减少湍流对光强起伏的影响;光束质心漂移具有很大的随机性,且其质心变化与波长之间无明显的直接联系。实验测试数据结果与大气湍流理论相符合,对空间大气通信具有一定的参考价值。     

激光大气闪烁饱和的孔径平均效应

理论分析了湍流介质中一定孔径内光强起伏（闪烁）的频谱特征，在6.8km的大气传播距离上同时测量了激光在针孔和φ260mm孔径内的闪烁，根据两者功率谱特征的对比分析结果以及两者闪烁均方差间的关系，指出孔径平均效应可以在一定程度上消除激光大气闪烁的饱和效应，从而可以利用孔径平均效应在临界强起伏条件下测量湍流强度。     

多光束发射对湍流效应下激光传输的影响

大气湍流引起的光强起伏会导致大气闪烁、光束漂移、到达角起伏和波前畸变等效应.多光束发射技术是克服激光大气传输中光强起伏的有效途径之一.以单光束、双光束、四光束以及八光束发射为例,通过计算峰值光强、环围功率半径以及像散参数等光束质量参数,得到单光束和多光束大气传输的光强起伏特性.结果表明:随着光束数目的增加,峰值光强显著...     

激光大气闪烁的分形分析

 采用分形理论分析了激光大气闪烁的统计特征。研究结果表明：在弱起伏条件下，激光大气闪烁的分形维和奇异性随光强起伏的增强而增大，而其长期相关性则减小；不同Fresnel尺度下具有相同闪烁指数的激光大气闪烁的分形特征存在着明显的差别；在强起伏条件下，有限的数据中尚未发现分形维有饱和现象，因此可以用来描述激光大气闪烁的强度。     

Measurement of scintillation and link margin for laser beam propagation on 3.5-km urbanised path

An experiment of laser propagation was carried out at the urban terrain range of 3.5 km during the period of March to May of 2006. The received intensity scintillations and atmosphere turbulence strength in complex urban atmosphere circumstance were simultaneously measured concentratively. The results show the statistical characteristics of irradiance scintillation and atmosphere turbulence strength and link fade margin for urban free-space optical links.     

地物散射和大气湍流导致的激光闪烁统计

通过分析大气湍流和地物散射对传输激光束的调制机理，运用双随机统计理论研究了空－地－空传输路径空载探测器接收到光闪烁统计问题。闪烁统计由大气湍流和地物（岩石，海洋和森林等）散射的联合效应给出，分析中采用最速下降法处理概率积分，获得了与岩石，海洋和森林二大类地物散射体对应的闪概率密度函数，广义Ｃｈｉ－Ｓｑｕａｒｅｄ地面散射与大气湍流综合调制效应明显地压缩了概率分布的宽度并使分布函数的峰值移向归一化强度     

城市路径下激光光强起伏特性测量及链路余量估算

 在城市环境下进行了3.5 km的激光大气传输实验。实验中对光强起伏和到达角起伏进行了同步测量，分析了接收光强起伏的统计特性以及传输路径上大气折射率结构常数的特性。基于实验结果，对自由空间光通信中不同闪烁指数下的衰落冗余以及不同探测阈值下的衰落概率进行了估算，从而为空间光通信系统的设计提供可靠的实验基础。     

信号光束宽度对不同漂移误差的空间光通信系统误码率影响的研究

信号光束宽度直接影响着空间光通信系统误码性能,光束宽度的选择需要综合考虑多种因素。研究了激光在大气湍流中的光束漂移、光强闪烁和平均光强与光束宽度的关系,得到考虑漂移因素的光强闪烁和平均光强与光束宽度的关系。分析表明在弱湍流条件下,光强闪烁和平均光强与光束宽度和对准精度相关,讨论了在水平路径上未跟踪补偿和跟踪补偿的光束的光强闪烁和平均光强随光束宽度的变化趋势。利用数值方法得到光强闪烁最小、平均光强最大时的光束宽度取值区间,通过光强概率分布关系和实际应用要求实现了光束宽度的优化选取。结果表明,在相同系统信噪比情况下,跟踪光束与未跟踪光束相比,系统误码率低,光束宽度值相对较小,取值区间大。     

Expressions of the scintillation index for optical waves propagating through weak non-Kolmogorov turbulence based on the generalized atmospheric spectral model

The high frequency “bump” which occurs in the turbulence spectral model just prior to the turbulence cell dissipation is important for the analysis of the irradiance scintillation for optical wave propagating through atmospheric turbulence. In this study, expressions of the irradiance scintillation index are developed from the generalized modified atmospheric spectral model for optical waves propagating through weak non-Kolmogorov turbulence. Compared with the expressions of the irradiance scintillation index derived from the general non-Kolmogorov spectral model, the new expressions can consider the influences of finite turbulence inner and outer scales and the influence of finite diameter aperture receiver. As the irradiance scintillation is caused mainly by the small scale turbulence cells' diffractive effects for weak turbulence, the turbulence outer scale's influence can be ignored. Numerical simulations show that variable inner scale values produce obvious effects on the irradiance scintillation for non-Kolmogorov turbulence.     

Irradiance scintillation considering finite turbulence inner scale for optical wave propagating through weak non-Kolmogorov turbulence

The turbulence inner scale plays an important role in investigating the irradiance scintillation index for optical wave propagating through atmospheric turbulence. However, previous expressions of the irradiance scintillation index, which were derived based on the general non-Kolmogorov spectral model, did not consider the influences of finite turbulence inner scale. In this study, based on the generalized exponential spectral model for non-Kolmogorov atmospheric turbulence, theoretical expressions of the irradiance scintillation index are derived for plane and spherical optical waves propagating through weak turbulence. The new expressions have considered the influences of the finite turbulence inner scale and the receiver aperture on the irradiance scintillation index. Numerical simulations are performed to analyze these parameters’ influences.     

双孔差分闪烁法测量大气湍流的理论与实验研究

根据cross-path理论, 推导出弱起伏条件下差分孔径光强起伏结构函数的精确表达式, 以此为依据, 从理论上提出测量大气湍流强度的双孔差分闪烁法. 在Kolmogorov湍流谱条件下, 分析了信标光直径和信标光高度对该方法中路径权重函数的影响. 在近地面开展了2 km路径的水平光单程传输实验, 将双孔差分闪烁法和单孔闪烁法的测量结果进行了对比. 实验结果表明: 在不同的天气条件和大气湍流状况下, 两种方法测量的折射率结构常数具有高度的一致性; 通过对折射率结构常数积分得到的球面波大气相干长度进行相关性分析, 发现两者的线性相关系数达0.96; 由此验证了双孔差分闪烁法的可行性和有效性. 该方法能够分离出主动信标双程传输的后向闪烁信息, 为主动信标准确探测大气湍流提供了一种新方法.     

The effect of laser fluctuation statistics upon detection probability

The effects of laser beam irradiance fluctuations, such as speckle and scintillation, upon optical beam detection probability are examined in an entirely statistical context. The optical detector is assumed to possess a non-linear integrated log-normal response function, as is normally ascribed to the eye. Various statistical distribution functions purported to model these fluctuations accurately are examined from both numerical and analytical standpoints. The numerical results indicate that different models for fluctuation statistics predict detector threshold probabilities which differ from each other by more than 10%. Such variations may be significant in calculations relating to eye safety.