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。     

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。     

湍流中漫射目标偏振部分相干激光的闪烁特性

采用广义惠更斯-菲涅耳原理和矩阵光学理论,研究了湍流大气中偏振部分相干激光波束从发射机到目标和从目标到接收机双程路径的闪烁特性。将产生任意偏振光束的琼斯矩阵和ABCD传输矩阵进行结合,围绕接收机处波场四阶矩展开推导,得出双程路径下偏振部分相干激光波束在接收机处的闪烁指数表达式,数值分析了大气折射率结构常数、激光波束的波长、束宽、相干长度对接收机处光强闪烁指数的影响。结果表明:偏振部分相干激光波束的闪烁指数随着目标与发射机之间距离呈现先增大、到达峰值后逐渐减小的变化趋势;相干性差的光束产生的闪烁指数小,相干长度微小的变化将会产生较大的闪烁指数变化,相干性好的光束产生较大的闪烁指数,但是相干长度的变化对闪烁指数的影响很小。     

部分相干离轴涡旋光束在大气湍流中的光强分布

根据广义惠更斯-菲涅耳原理以及交叉谱密度函数,利用Kolmogorov湍流谱推导得到部分相干离轴涡旋光束在大气湍流中传输时光束的光强分布表达式,讨论了离轴距离、拓扑荷数、束腰宽度、相干长度、传输距离、湍流强度参数对光强分布的影响。仿真结果表明,拓扑荷数的大小不会改变暗核的位置;离轴距离的正负号决定了暗核移动的方向和光强集中区域的方向;暗核向上移动的距离随相干长度、束腰宽度的增大而减小,随传输距离、湍流强度的增大而增大;光斑展宽随相干长度、束腰宽度、传输距离、湍流强度的增大而增大。     

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。     

弱湍流大气激光通信中的光强闪烁研究

大气激光通信中，湍流引起的光强闪烁严重影响通信系统的性能指标（误码率）。通过对湍流条件下光强分布的数值仿真，得出弱湍流时接收光强服从对数正态分布，与Rytov理论一致。用随机过程分析的方法给出了系统误码率与光强闪烁的关系，并进行MATLAB数值模拟。研究表明误码率随对数振幅方差（湍流强度）的增加而上升，且当对数振幅方差在0～0．02时，误码率随对数振幅方差的变化较快，近似呈线性递增。在工程中，可采用自适应光学或多发射机等技术抑制湍流对大气激光通信的影响。     

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。     

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.     

采用投影光学估计弱起伏条件下的大气闪烁指数

在远场散斑投影成像系统上整合大气闪烁指数测量功能,有助于全面分析激光大气传输特性及其对光电系统性能的影响。但是在大口径接收时,大气闪烁会因孔径平滑效应而变得微弱,光源稳定性引起的强度起伏会更为明显。针对这一问题,基于光源强度起伏和大气闪烁的乘性调制假设,建立了考虑光源强度起伏的大气闪烁指数的测量模型。利用光源强度起伏不随孔径变化而大气闪烁随孔径变化这一差异性,通过投影光学在同一时刻测量两个不同接收孔径上的光强闪烁,结合弱起伏条件下的孔径平滑因子来求解测量模型,从而分别估计大气闪烁指数和光源强度闪烁指数。实验结果表明,在孔径0.05m至0.4m之间,实测值和理论估计值的最大相对误差小于9.685%,理论模型与实验符合度较高。采用该方法可以在投影光学上实现弱起伏条件下的大气闪烁指数估计。     

贝塞尔高斯光束在各向异性湍流中的传输特性

采用随机相位屏仿真方法模拟了各向异性大气湍流及贝塞尔高斯涡旋光束在其中的强度分布、在轴闪烁指数和抖动效应,分析了各向异性湍流参数和波源参数对涡旋光束传输质量的影响.结果表明,在各向异性大气湍流中,贝塞尔高斯涡旋光束的强度分布随传输距离的变化情况与离轴距离有关,仅一级圆环处强度值单调递减,其余次级圆环处强度值均呈现先增后降的趋势.在近距离处,贝塞尔高斯涡旋光束的在轴闪烁指数随波形参数的增大而减小,随光束宽度的增大呈现先上升后下降再上升的趋势,该现象与贝塞尔高斯光束的光斑尺寸大小相关;其抖动效应随波形参数、拓扑荷数量、波长和束腰半径的增大而减弱.但在远距离处贝塞尔高斯涡旋光束的闪烁效应和抖动效应随波形参数的影响与近距离处相反,这与贝塞尔高斯光束的展宽突然增大的现象一致.贝塞尔高斯涡旋光束在各向异性湍流大气中的抖动效应小于在各向同性湍流大气中的情况,并且在远距离处大于拉盖尔高斯涡旋光束的抖动效应.     

湍流大气中星载角反射器阵列回波的闪烁指数

利用Rytov方法结合ABCD传输矩阵理论, 推导了地-空-地双程湍流大气路径中单个角反射器回波在接收孔径平面上的强度协方差函数及闪烁指数公式. 根据角反射器阵列的各角反射器单元回波相位相互独立假设, 计算了接收孔径平面上的强度协方差函数、孔径平滑因子和闪烁指数, 比较分析了单个角反射器与角反射器阵列回波闪烁指数. 证明角反射器阵列不改变闪烁指数, 但大气湍流会引起光强起伏放大两倍的规律. 关键词： 大气光学 角反射器阵列 闪烁指数     

孔径接收下大气闪烁频谱的理论和实验研究

 基于孔径接收下的对数振幅时间相关函数，推导了弱湍流起伏条件下大气闪烁频谱的表达式，分析了接收孔径对大气闪烁频谱的影响。通过完成水平大气传输实验，实际测量了孔径接收下的大气闪烁频谱。实验结果验证了理论计算。结果表明，孔径接收下的大气频谱分为低频段和高频段两部分，低频谱为常数，高频谱呈幂指数关系变化，且幂指数为-11/3；随着接收孔径增大，频谱在各频率点上的幅值逐渐减小，其形状保持不变。     

非Kolmogorov湍流相位屏仿真及对光束传输模拟的影响

采用正态分布模型来描述传播路径上功率谱幂值的非均匀性,利用功率谱反演法构建了基于等效结构常数的非Kolmogorov湍流相位屏,并利用多重相位屏法进行了高斯光束在均匀各向同性湍流与非Kolmogorov湍流两种模型下的传输模拟。通过观察模拟光束的光强均匀度、光束漂移以及闪烁指数等,研究了非Kolmogorov湍流对光束传输模拟的影响。结果发现,当光束通过单个非Kolmogorov相位屏时,光强最大值与光强均匀度随着幂值先增大后减小,光束漂移随幂值在一定范围内单调变化。当光束通过多重相位屏时,发现模拟光束的光强闪烁指数会受到相位屏数量以及湍流模型的影响,当相位屏数量较多时,均匀各向同性湍流模型下模拟得到的光强闪烁指数会大于非K湍流模型下的结果,且非K湍流模拟的光束漂移与均匀各项同性湍流模拟得到的光束漂移的相对误差会随着相位屏数量增多而趋于0。     

大气激光通信中多光束传输性能分析和信道建模

多光束传输技术是克服大气激光通信中大气湍流效应的有效途径之一。首先从理论上分析了大气湍流对多光束大气激光通信系统性能的影响和多光束大气传输的光强起伏特性,然后利用统计分析的方法,建立了一个以传输距离z、光束数目n、发射孔径之间的距离St、接收孔径Dr等为参量的多光束大气传输信道模型。最后,结合相关文献提供的实验结果对该信道模型进行了实验验证和误码性能分析。结果表明,当S1≥√λz或Dr远大于大气湍流相干长度ρo时,随着n的增大,接收光强将趋于对数正态分布．降低了大气激光通信系统的误码率,从而验证了多光束传输对于克服大气湍流影响的有效性。     

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。     

部分相干Airy光束在大气湍流中的光强演化

为了利用Airy光束的无衍射、自恢复和自弯曲特性抑制大气湍流效应,实现远距离无线光通信,对部分相Airy光束在大气湍流中传输时的光强演化进行了研究.利用高斯-谢尔模型的交叉谱密度函数、广义惠更斯-菲涅尔原理以及Rytov相位近似法,推导了部分相干Airy在湍流大气中平均光强的表达式.分别从传播距离、湍流强度等方面对光强分布的影响进行了模拟仿真,并对光束自身参数对光强分布的影响进行了相关实验验证.结果表明:随着传播距离的增加,部分相干Airy光束的旁瓣逐渐衰减,主瓣逐渐扩散;在传播足够远时,其旁瓣逐渐消失,主瓣逐渐演化为高斯分布.仿真和实验结果一致表明光束的截断因子越小、特征长度和相干长度越长,光束的光强分布保持越完整.     

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)。     

像差对聚焦高斯光束大气传输轴闪烁特性的影响

采用多层相位屏的数值模拟方法,定量研究了几种典型像差对聚焦高斯光束在湍流大气中传输的轴闪烁特性的影响。研究结果表明,像散和慧差像差对远场光斑的轴闪烁分别具有较强的抑制和促进作用,较强的慧差和像散能分别提前和延后光斑轴闪烁饱和的出现。湍流较弱时的聚焦高斯光束大气传输光强起伏概率严重,湍流越强,光强起伏概率越接近于对数正态分布,且基本满足偏斜度为负,陡峭度为正。弱、中等湍流强度下,像差权重较大时,光强起伏概率分布主要受像差影响;像差权重系数较小时,光强起伏概率分布主要受湍流效应的影响,且各像差主要影响光强较弱区域的起伏分布情况。强湍流强度下,湍流效应对光强起伏概率分布占主要作用,趋近于对数正态分布。     

湍流大气中激光相干探测回波光强与空间相干特性研究

本文利用广义惠更斯-菲涅尔原理结合Goodman目标散射理论,推导出了激光探测中目标反射光的交叉谱密度函数解析式,并进一步得到了目标反射光的光强分布和空间相干长度表达式。利用得到的表达式在湍流大气条件下,分析了不同光源参数和目标反射光参数对目标反射光光强分布和相干长度的影响。研究结果表明:光源相干长度对归一化反射光强影响较小;光源束腰半径和反射光斑半径值越大接收光的相干长度值越小;随着传输距离的增加,相干长度增加越来越缓慢;在弱湍流大气传输过程中,光源参数对接收光的影响占主导作用,光源束腰半径越大接收光的光强和相干长度值越小;在强湍流大气传输过程中,大气湍流对反射光的影响起主导作用。     

内尺度对光强闪烁激光雷达测量结果的影响

利用Kolmogorov谱、修正Hill谱和Rytov改进模型三种大气湍流功率谱模型,得到了光强闪烁激光雷达探测路径上闪烁指数与大气折射率结构常数之间的关系。分析了不同内尺度下大气湍流强度的变化情况,并与不考虑内尺度的情况进行了比较。结合实验数据对比分析了内尺度对光强闪烁激光雷达在探测大气湍流时的影响程度,结果表明在内尺度的取值变化范围内,采用修正Hill谱时,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达9,实验中传输距离为1020 m和2040 m的传输路径上两者最大偏差为0.4和0.1个量级;Rytov改进模型下,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达6,实验中同样传输路径上两者最大偏差为0.6和0.3个量级。理论和实验结果表明:有限内尺度的折射率结构常数测量结果在一定程度上偏离不考虑内尺度的折射率结构常数,且影响程度与激光传输距离和内尺度的大小有关。因此,在光强闪烁激光雷达的大气湍流探测过程中,必须考虑内尺度效应。