探测大气湍流的光强闪烁激光雷达

基于残余光强闪烁理论,分析了与大气湍流探测有关的激光雷达各项硬件参数并获得参数的优化范围,据此研制了一台用于大气湍流探测的光强闪烁激光雷达。背景基线、线性特征等性能测试表明,激光雷达各硬件工作正常,数据获取可靠。实验测量中获得了水平方向上闪烁指数和大气折射率结构常数随探测距离和时间的变化趋势,其中闪烁指数在450~2000 m探测距离范围内由0.001逐渐增大至0.350左右;大气折射率结构常数基本保持水平均匀性,在1.010-16~1.010-15m-2/3范围之内;大气折射率结构常数在10:00~21:00时间内大致呈现上午上升、下午下降、晚上上升的变化趋势,具有较明显的日变化特征。实验结果与理论和常规测量较为相符,表明光强闪烁激光雷达能够获取大气湍流的探测距离变化和日变化特征信息。     

斜程大气湍流中激光回波的闪烁指数

根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU-R大气折射率结构常数模型,考虑内尺度及从发射机到目标和从目标到接收机双斜程路径影响的条件下,应用修正Hill湍流折射率起伏功率谱,对反射器目标激光回波闪烁指数进行了研究。推导了回波闪烁指数随菲涅耳率的变化关系,数值分析了不同内尺度、传输距离、激光波长以及目标高度对回波闪烁指数的影响。结果表明:内尺度和目标高度对回波闪烁指数的影响要远大于波长和传输距离的影响。     

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.     

同步测量大气湍流折射率结构常数和内尺度的光学方法

 基于不同波长的光闪烁，采用修正的大气湍流Hill谱模型，提出了一种同时反演大气湍流内尺度及折射率结构常数的方法。假定内尺度在某一个范围内取值，对于不同波长的闪烁指数，如果当内尺度取某一定值时，由光传输理论计算的C²_n(λ₁,…)和C²n (λ₂,…)相等，反演成功。根据此原理设计了三波长闪烁计并在某地进行了外场测量。近地面大气湍流的内尺度一般在2~10 mm之间，且随折射率结构常数（其量级为10^-16~10^-13）的变化而变化，两者之间存在一定的正相关；任意两波长组合进行反演得到的内尺度(或折射率结构常数)值具有自洽性，其相关系数的最小值为0.81，因此证明了该方法的可行性。     

利用闪烁和漂移效应测量大气折射率结构常数的对比分析

 在近海面大气边界层中进行了1 km路径的水平光传输实验，结果表明：利用闪烁和漂移效应推导的大气折射率结构常数之间存在着较大的差异。定量的理论分析揭示了两者不一致的原因在于：闪烁效应主要对路径中部的小尺度湍涡敏感，漂移效应则对发射端附近的大尺度湍涡敏感；随着内尺度变大，漂移效应测量的折射率结构常数将大于闪烁效应测量的折射率结构常数，当内尺度达到20 mm时，前者的测量结果是后者的3倍；当外尺度变小时，漂移效应的测量结果小于闪烁效应的测量结果，当外尺度仅为1 m时，前者的测量结果为后者的1/2；大气折射率3维功率谱的幂律的变化对测量结果的影响非常大，当幂律大于-11/3时，闪烁效应测量的折射率结构常数大于漂移效应测量的折射率结构常数， 最大差异接近于25倍， 当幂律小于-11/3时，漂移效应的测量结果大于闪烁效应的测量结果，两者的差异甚至可达两个量级。     

完美涡旋光束在大气湍流传输中的螺旋相位谱分析

基于Rytov近似,理论推导了完美涡旋光束（PVB）经过大气湍流水平信道后的螺旋相位谱解析表达式,研究了大气湍流中光束波长、半环宽、发射处轨道角动量（OAM）模态、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数对OAM模态探测概率和串扰概率的影响。结果表明：随着发射处OAM模态、传输距离、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数的增加,经大气湍流传输后的探测概率下降;随着光束波长的增加,经大气湍流传输后的探测概率增加。此外,PVB在近场的探测概率几乎不随发射处OAM模态变化,而当光束传输到远场时,探测概率随发射处OAM模态变化明显,这是因为PVB传输到远场变成类贝塞尔光束,其光束半径随发射处OAM模态变化明显。     

大气湍流尺度对部分相干光传输特性的影响

本文在考虑湍流内外尺度的情况下,对部分相干高斯谢尔模型光束在大气湍流中的传输特性进行了研究.主要采用考虑湍流内外尺度的修正Von Karmon谱模型,推导了部分相干光在大气湍流中的平均光强分布、光束扩展均方根束宽和漂移方差的解析式.对比分析了不同湍流强度情况下,湍流内外尺度对部分相干光在大气湍流中水平和斜程路径上传输特性的影响.结果表明:相同条件下,光束在大气湍流中传输时,沿斜程传输时的抗湍流能力强于水平传输;相比于大气湍流内尺度,大气湍流外尺度对光束漂移影响较大,外尺度对光束扩展与光强分布的影响较小,当湍流外尺度增大时,漂移现象会越来越严重;相比于大气湍流外尺度,湍流内尺度对光束扩展与光强分布的影响较大,当内尺度减小时,光束扩展现象越来越严重,光强分布也更分散,内尺度对漂移几乎无影响.     

高斯波束在湍流大气斜程传输中的闪烁问题研究

根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU-R湍流大气结构常数模型,将水平传输的修正里托夫方法推广到了斜程传输问题中。导出了高斯波束入射时,在零内尺度湍流谱模型及考虑湍流内尺度效应和外尺度效应条件下,从弱起伏湍流区到强起伏湍流区闪烁指数随斜程里托夫方差变化的计算公式。讨论了不同传播高度、不同湍流内、外尺度对高斯波束斜程传输闪烁指数的影响。最后将有关数值计算结果与实验测量结果进行了比较和验证。     

激光雷达双程路径上的光波闪烁效应

对光强闪烁激光雷达在湍流大气中的双程光路传输路径进行了研究,分别得到了单站和双站情况下接收端获取的残余闪烁指数的表达形式。在大孔径条件下,双程光路的残余闪烁指数为发射光路湍流效应引起的球面波闪烁指数。通过光强闪烁激光雷达与闪烁仪的水平对比实验,理论结果得到了验证。     

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。     

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。     

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。     

非均匀湍流路径光传播数值模拟中相位屏间C2n的选取

针对非均匀湍流路径光传播的数值模拟,为减小相位屏间湍流强度均匀的假设所引起的模拟误差,数值分析了在种选择相位屏间折射率结构常数C2n的可能方案.通过计算平面波和球面波的Rytov指数和Fried参数,对比五种方案得到的Rytov指数和Fried参数与理论结果的相对误差.结果表明,当相位屏间C2n选择为相位屏间湍流大气实际的折射率结构常数的路径平均值时,模拟误差最小,该选择方案为相位屏间C2n选取的最伟方案;当根据相位屏间湍流大气的Rytov指数相等的原则来设置相位屏分布时,选择相位屏间C2n为两相邻相位屏处折射率结构常数的儿何平均值时,在一定的误差允许范围内,该选择方案具有可取性.     

非均匀湍流路径光传播数值模拟中相位屏间C_n~2的选取

针对非均匀湍流路径光传播的数值模拟,为减小相位屏间湍流强度均匀的假设所引起的模拟误差,数值分析了五种选择相位屏间折射率结构常数Cn2的可能方案。通过计算平面波和球面波的Rytov指数和Fried参数,对比五种方案得到的Rytov指数和Fried参数与理论结果的相对误差。结果表明,当相位屏间C2n选择为相位屏间湍流大气实际的折射率结构常数的路径平均值时,模拟误差最小,该选择方案为相位屏间C2n选取的最佳方案;当根据相位屏间湍流大气的Rytov指数相等的原则来设置相位屏分布时,选择相位屏间C2n为两相邻相位屏处折射率结构常数的几何平均值时,在一定的误差允许范围内,该选择方案具有可取性。     

基于M2因子测量的大气湍流参数的确定方法

基于广义惠更斯-菲涅尔原理以及大气湍流理论,推导出部分相干光束在大气湍流中传输的光束传输M ^{2因子的解析表达式.定量分析了表征大气湍流参数的折射率结构常数 C2_n}和涡旋内尺度 l _{0对 M ^{2因子的影响,并由此提出了一种通过实验测量大气湍流中光束的 M 2因子,进而确定出大气湍流参数的新方法.研究结果表明,由于大气湍流对相干性好的光束影响更为明显,在测量中可采用具有高相干性的基模高斯光束作为测量光源,而测量装 关键词： 2因子')" href="#">光束传输 M 2因子 大气湍流参数 湍流折射率结构常数 湍流涡旋内尺度}}     

部分相干光与相干光在湍流中的传输特性实验研究

相干光经湍流传输引起光强闪烁效应,理论研究表明利用部分相干光可降低该影响,而相关的实验验证鲜有报道。利用水介质的对流湍流池模拟产生了Rytov方差为0.04~0.16的湍流,进行了弱起伏区湍流中部分相干光及相干光的传输实验,由接收光强计算出其光强闪烁指数随湍流Rytov方差的变化关系。实验结果表明:随着湍流强度的增加,部分相干光与相干光的闪烁效应均增强,但部分相干光的闪烁指数小于相干光。将实验数据与Andrews等人建立的闪烁指数理论模型进行比较,得出了较为一致的结论。     

大气湍流中高斯空心涡旋光束的焦面光强分布

运用广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了聚焦高斯空心涡旋光束通过湍流大气传输后在焦平面内的光强分布的理论模型,同时分析了不同大气折射率结构常数C2n、聚焦距离、光束拓扑荷和湍流外尺度对焦面光强分布特性的影响.结果表明:随着聚焦距离的增加,焦面光强分布由中央凹陷状向高斯分布转变.弱湍流对焦面光强分布的影响可以忽略;高拓扑荷光束在湍流大气中传输时光波奇异性的保持较低拓扑荷奇异光束要强;随着湍流外尺度增加,焦面光强分布的中央凹陷状变浅,光强分布变平滑.     

光学学报 2005年25卷 学科分类索引

文题期数起始页大气与海洋光学差分吸收激光雷达回波信号统计模型的研究1 1海洋水色及水温扫描仪精确瑞利散射计算2 145跟踪抖动对激光湍流大气传输光束扩展的影响2 152米氏散射激光雷达近场距离校正函数曲线拟合法修正3 289高斯波束在湍流大气斜程传输中的闪烁问题研究4 433洛伦兹光谱线型的高层大气风场被动探测原理分析5 577相干激光雷达距离像的噪声抑制算法研究5 581基于洛伦兹线型极光的上层大气风场探测模式研究6 721空间激光通信中光强起伏尺度特征的数值分析8 1009圆芯型边孔光纤双折射的有限元分析8 1013差分吸收光谱法测量空气中…     

声波扰动对大气湍流内外尺度与折射率功率谱函数的影响分析

声波是一种机械波,作为能量的载体,在大气湍流环境下传输会“扰动”湍流耗散率的变化,从而会影响湍流物理结构演化.本文基于声波能量和湍流能量平衡方程,结合湍流内外尺度和大气折射率功率谱函数,研究了在不同声波扰动下大气湍流的内外尺度和折射率功率谱函数的变化特征.结果表明:不同声波的传播会使得湍流的内外尺度发生变化,声源功率越大,对湍流尺度的影响越大,然而声源频率越大,对湍流尺度的影响并不是特别明显;不同声波的传播会使大气折射率功率谱函数发生改变,在惯性区内,考虑到声波对湍流内外尺度的影响,不同声源对大气折射率功率谱的影响程度不同,在耗散区内,大气折射率功率谱都出现随声波传输距离波动的情况.本文探索声波扰动对大气湍流折射率功率谱函数特征参数的变化规律,为激光在声波扰动大气湍流中传输特性以及声光耦合研究提供理论依据.     

湍流折射率谱型对大气闪烁和相位起伏功率谱的影响

基于Taylor湍流冻结假设理论,在不同湍流折射率谱型条件下,推导得出了光波闪烁和相位起伏频谱的表达式;数值计算了湍流谱型中折射率标度指数、内尺度以及外尺度变化时对光波频谱的影响。结果表明:随着折射率起伏标度指数的增大,闪烁频谱的低频段不再仅为常数,高频段下降的幂率逐渐增大,同时相位频谱在整个起伏频率段下降的幂率越来越大;湍流内尺度的增加将引起光波频谱的高频段下降的幂率越来越大;而随外尺度的减小,闪烁频谱低频段的振幅减小,这种影响在大口径接收时较为明显,相位谱的低频段幂率减小。