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。     

高能固态激光非Kolmogorov湍流大气传输光斑扩展的数值分析

采用高能激光大气传输四维仿真程序模拟计算了高功率固态激光在非Kolmogorov湍流大气中聚焦传输时的湍流与热晕效应。数值分析了接收平面处光斑的63.2%环围能量半径、光束质量因子随非Kolmogorov湍流谱指数α和传输起伏强度D/r0的变化,比较了非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流条件下激光传输结果的相对偏差。结果表明:非Kolmogorov湍流谱指数α越小,湍流效应和湍流热晕综合效应导致的光斑扩展越大,光束的能量集中度越低;已建立的描述聚焦高斯光束大气传输光束扩展的定标关系式在非Kolmogorov湍流条件下不再成立;在传输参数条件下,仅考虑湍流效应时,非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流下光斑半径的相对偏差最大值可达87.7%,存在热晕时的最大相对偏差达43.7%,可见热晕降低了两种情况下传输结果的相对偏差。     

径向部分相干光束在各向异性非Kolmogorov湍流中的传输

具有中心对称相干度分布的非均匀部分相干光,即径向部分相干光束(RPCB),可以有效降低大气湍流引起的光束闪烁,改善接收质量。应用波动光学仿真方法,比较研究了相干高斯光束、高斯谢尔模光束和具有凸型高斯型、超高斯型相干度分布的径向部分相干光束在各向异性的非Kolmogorov湍流中的传输特性,从远场光强分布和孔径平均闪烁指数等方面分析了湍流的各向异性参数和非Kolmogorov功率谱指数对远场光束质量的影响。仿真结果显示,光束的接收质量随功率谱指数的增大而持续劣化;同时,各向异性湍流会导致远场光斑呈椭圆形分布,因而在接收端使用等面积的椭圆接收孔径替代圆形孔径,可以显著降低接收机的孔径平均闪烁指数。总体而言,径向部分相干光束在各向异性非Kolmogorov湍流中,特别是在接收孔径较小的情况下,具有优于完全相干光和高斯谢尔模光束的传输性质。     

厄米-高斯光束在非Kolmogorov大气湍流中的传输性质

基于广义惠更斯-菲涅尔原理和非Kolmogorov(非K)谱,推导出了厄米-高斯光束在非K大气湍流中传输的束宽、角扩展以及M2因子的解析表达式.数值计算表明,在传输距离比较远(如z≥3km)时,厄米-高斯光束的束宽、角扩展和M2因子随广义指数参量α的增大而增加直到α=3.11时达到最大值后再随α的增大而减小;随湍流的内尺度l0的减小而增大;随外尺度L0的增加而增大(3.6α4).但是当广义指数参量α在3α3.6区间取值时,束宽和M2因子几乎不随外尺度的增加而变化.     

Non-Kolmogorov湍流大气中小尺度热晕效应线性理论

从小尺度热晕线性理论出发,在non-Kolmogorov谱的基础上,得到了non-Kolmogorov谱湍流下热晕相位补偿的Strehl比表达式,分析了湍流谱对高能激光的相位补偿的影响.研究结果表明湍流谱对湍流热晕效应的相位补偿有重要的影响.在相同的湍流菲涅耳数下,当谱指数越接近于3时补偿效果越差,谱指数接近于4时补偿效果越好.在相同大气相干长度条件下或在相同湍流折射率常量条件下,当谱指数接近于3时,Strehl比随热晕效应的增强而下降变快,当湍流谱指数逐渐接近于4时,Strehl比下降速度变慢.其原因是随着湍流谱指数的增大,湍流热晕相互作用引起的对数振幅起伏增长变慢.     

激光大气闪烁的高频谱特性

 采用三波长闪烁仪进行了大气边界层的光传输实验，结果表明：在相同的传播条件下，非平面波激光大气闪烁功率谱的高频部分与波长存在着一定的关系，功率谱无标度区间的斜率即标度指数是一个与湍流强度、波长等因素有关的函数，在满足弱起伏的条件下，标度指数一般与波长呈负相关，波长愈长则标度指数愈小，频谱下降的趋势愈快；波长愈短则标度指数愈大，频谱下降的趋势愈慢。     

非Kolmogorov大气湍流温度谱标度指数的测量与分析

 阐述了非Kolmogorov湍流谱理论以及湍流谱标度指数的测量与计算方法。在近地面多个地点对大气湍流温度起伏进行了多次的实验观测，结果表明：实际大气湍流温度谱标度指数多数不等于-5/3，并且通常在-2到-1之间变化。分析了湍流温度谱标度指数与湍流发展程度的相关性，利用小波分析方法展现了不同湍流强度下湍流温度脉动能量在各尺度之间的分配状态，发现湍流温度谱标度指数的绝对值在一定程度上随湍流强度的增加而增大。     

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。     

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。     

非Kolmogorov大气湍流中的光传播及其对光电工程的影响

非Kolmogorov大气湍流中的光传播及其对光电工程的影响已成为当前应用光学的研究热点之一。详细对比讨论了真实的非Kolmogorov大气湍流的光学特性和理论研究中的非Kolmogorov湍流谱模型;从一般光传播效应,各向异性湍流中的光传播效应,特殊光源、部分相干光、阵列光源的传播效应以及这些效应对光电工程的影响6个方面分析了光波在非Kolmogorov大气湍流中的传播效应及对光电工程影响研究的最新进展和存在的相关问题;从大气湍流测量技术、非Kolmogorov大气湍流光传播的数值模拟及其与实际光传播实验的对比分析三个方面提出了对今后这个研究领域重点研究方向的建议。     

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。     

部分相干平顶光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离

给出了部分相干平顶光束通过非Kolmogorov湍流传输的湍流距离解析表达式,并研究了非Kolmogorov湍流的湍流广义指数、内尺度、外尺度和光束参数对部分相干平顶光束湍流距离的影响。研究表明:湍流距离随相干参数、束腰、外尺度(当湍流广义指数的取值为3.6~4.0时)的增大而减小;随光束阶数、内尺度的增大而增大;随湍流广义指数先减小后增大,且在湍流广义指数取3.11时存在极小值,即光束扩展的极大值。同时利用湍流广义指数及光束参数,具体比较了湍流距离与瑞利区间的大小,并指出光束参数及湍流广义指数决定了湍流是否在瑞利区间内就能对光束扩展构成明显的影响。     

非Kolmogorov大气湍流对部分相干厄米高斯光束传输因子的影响

基于非Kolmogorov谱模型,利用广义惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩定义,推导出部分相干厄米高斯(H-G)光束在非Kolmogonov大气湍流中传输因子的解析表达式,并用以研究了非Kolmogorov大气湍流对部分相干H-G光束传输因子的影响。结果表明,部分相干H-G光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时,传输距离、湍流外尺度、广义结构常量和空间相关长度越小,湍流内尺度和光束阶数越大,光束传输受非Kolmogorov大气湍流影响越小,光束质量越好。当广义指数取3.11时,部分相干H-G光束在传输过程中表现的光束质量最差。     

非科尔莫戈罗夫湍流情况下光学波前的到达角起伏方差分析

引入非科尔莫戈罗夫 (Kolmogorov)湍流情况下的归一化相位空间功率谱 ,针对 G倾斜和Z倾斜两种情形 ,分别推导了非科尔莫戈罗夫湍流情况下光学波前的到达角起伏方差与相位空间功率谱指数下降因子β和归一化大气湍流相干长度ρ0 之间的关系。结果表明 ,对于 2 <β <4 ,非科尔莫戈罗夫湍流情况下光学波前的到达角起伏方差随着β的增加而增大 ,β相同时 ,G倾斜方差总是小于 Z倾斜方差。     

相位屏法模拟高斯阵列光束海洋湍流传输特性

基于功率谱反演法产生海洋湍流相位屏,对多次传输过程进行统计平均,仿真分析不同海洋湍流参量下不同高斯阵列光束(矩形分布、径向分布及单束)长曝光光斑半径、光斑质心漂移特性及光强闪烁特性。结果表明:光束长曝光光斑半径、光斑质心漂移标准差及轴上闪烁系数均随湍流效应(湍流强度或传输距离)的增强而增大;同时,阵列光束与单束高斯光的光斑半径趋于一致,当传输距离继续增大时,单束高斯光束长曝光光斑半径略大。相对于单束高斯光,阵列光束在相同湍流条件下具有更小的漂移标准差,但轴上闪烁系数较大。相对于大气湍流而言,海洋湍流具有较强的闪烁效应。     

厄米-高斯光束在非Kolmogorov大气湍流中的传输性质

基于广义惠更斯-菲涅尔原理和非Kolmogorov(非K)谱,推导出了厄米-高斯光束在非K大气湍流中传输的束宽、角扩展以及M²因子的解析表达式.数值计算表明,在传输距离比较远(如z≥3 km)时,厄米-高斯光束的束宽、角扩展和M²因子随广义指数参量α的增大而增加直到α=3.11时达到最大值后再随α的增大而减小;随湍流的内尺度l₀的减小而增大;随外尺度l₀的增加而增大(3.6<α<4).但是当广义指数参量α在3<α<3.6区间取值时,束宽和M²因子几乎不随外尺度的增加而变化.     

非Kolmogorov大气湍流对径向部分相干阵列光束瑞利区间和湍流距离的影响

基于广义的Huygens-Fresnel原理和非Kolmogorov谱模型,推导了无线光通信系统中径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时瑞利区间z_R和湍流距离z_T的解析表达式,对瑞利区间和湍流距离随湍流参量和光束参量的变化情况进行了数值分析.结果表明:不论是相干还是非相干合成,径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束的z_R和z_T均随湍流广义指数α的增大非单调变化,当α=3.11时,z_R和z_T取最小值,此时阵列光束扩展最大;相干合成比非相干合成的光束扩展要小,但其受湍流的影响更大;对于相干合成而言,径向分布半径r0越大,合成光束的z_R和z_T就越大,而非相干合成的z_R和z_T不受r0的影响;不论是相干还是非相干合成,阵列子光束数目对合成光束的z_R和z_T没有影响;当光束相干参量β足够小或波长λ足够大时,大气湍流对阵列光束z_R的影响可以忽略.     

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。     

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Kolmogorov大气湍流对高斯列阵光束扩展的影响

本文推导出了高斯列阵光束在非Kolmogorov大气湍流中传输的瑞利区间zR、湍流距离zT和远场发散角θ的解析表达式,研究了非Kolmogorov湍流的广义指数α和列阵光束的合成方式对高斯列阵光束扩展的影响.研究表明:不论相干还是非相干合成高斯列阵光束,zR,zT和θ均随着α的增加而呈非单调变化.当α=3.108时,zR和zT取极小值,而θ取极大值,即当α=3.108时高斯列阵光束扩展最厉害,光束扩展受湍流影响也最厉害.非相干合成高斯列阵光束扩展比相干合成的要大,但受非Kolmogorov湍流影响却要小.特别值得指出的是:当自由空间光束衍射较小时,有zTzR,即在瑞利区间范围内大气湍流就对光束扩展有影响;而当自由空间光束衍射较大时,有zTzR,即在瑞利区间范围内大气湍流对光束扩展几乎没有影响.