线性啁啾高斯脉冲堆积中的强度起伏频率(英文)

基于谱分析方法系统研究了多个线性啁啾高斯脉冲堆积的强度起伏频率。首先基于傅里叶变换方法分别分析并模拟了两路和多路线性啁啾高斯脉冲堆积,讨论了等幅度、等延迟多路线性啁啾高斯脉冲堆积的情况下,起伏频率与初始高斯脉冲的数目与啁啾系数、时间延迟和脉冲宽度的关系,并简要分析了多路线性啁啾高斯脉冲堆积的一般情况。结果表明,在堆积脉冲的强度谱中存在一系列分立的频率边带,这些频率边带对强度起伏有贡献。高频的频率边带由于幅度交叠的部分较少,所以对强度起伏贡献较少。强度起伏频率随初始啁啾高斯脉冲啁啾系数和时间延迟的增大而增大,随脉冲宽度的减小而增大。     

高能多粒子末态的多重分形维数与动力学起伏强度

研究了多重分形维数与动力学起伏强度的关系,给出了一个能直接描述高能多粒子末态动力学起伏强度的特征参量,并指出了这一参量的适用范围以及在实际高能实验中的应用.     

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。     

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.     

修正反射系数的Kirchhoff近似方法计算高斯起伏冰面三维声散射

针对随机起伏冰面的声散射计算问题,利用修正反射系数的Kirchhoff近似方法计算了高斯起伏冰面的三维声散射。在计算模型中引入了冰面局部统计平均反射系数的概念,将二维高斯起伏冰面的散射分为相干散射和非相干散射,分别得到两类散射成分的散射系数公式,计算了高斯起伏冰面三维声散射的散射强度。分析了散射强度与随机起伏冰面的均方根高度、声波入射角度及频率的关系。通过实验室水池中高斯起伏冰面的散射强度测量实验,对理论模型的计算结果进行了验证。将实验结果分别与采用冰面局部统计平均反射系数的模型计算结果和文献中采用平整冰面镜反射系数的模型计算结果进行了对比,采用冰面局部统计平均反射系数的模型计算结果与实验测量值吻合较好。      

部分相干光在大气湍流中的到达角起伏

研究了部分相干高斯谢尔光束在大气湍流中的到达角起伏.主要采用湍流内外尺度的修正Von Karmon谱模型及广义惠更斯-菲涅尔原理和交叉谱密度函数推导出了部分相干光在大气湍流中的到达角起伏表达式.对比分析了湍流内外尺度、湍流强度、传输距离、源相干参数以及波长等参数对部分相干光在大气湍流水平路径上传输时的到达角起伏的影响.结果表明:随着传输距离的增加,到达角起伏越来越小;随着大气湍流内外尺度和源相干参数的增加,到达角起伏也越来越大;与部分相干光相比,完全相干光的到达角起伏受湍流影响很小;随着波长和湍流强度的减小,到达角起伏越来越小.     

随机起伏冰面三维声散射的Kirchhoff近似数值计算模型

针对随机起伏冰面的声散射问题,建立了随机起伏冰面三维声散射的Kirchhoff近似数值计算模型。利用Delaunay三角剖分方法对随机起伏冰面进行三角面元剖分,然后采用Z-buffer算法进行面元的遮挡消隐,得到处于声波照射亮区的面元,最后采用Gordon面元积分的板块元方法计算得到随机起伏冰面的散射强度。数值计算模型中,将冰面认为是局部阻抗表面,直接代入起伏冰面局部反射系数进行散射声场的计算,避免了解析计算模型中对反射系数的近似处理。对比分析了数值和解析计算模型在小粗糙起伏冰面、大粗糙起伏冰面及不同声波入射角和不同声波频率时的散射强度。相比解析模型计算结果,数值模型计算结果与实测结果更吻合。      

光反馈半导体激光器产生低频起伏与高维混沌信号及其演化过程

利用光反馈半导体激光器产生了低频起伏及关联维数为12.2的高维混沌状态. 实验研究了低频起伏到高维混沌的演变过程. 实验表明,当偏置电流I_b <1.03I_th时,随着反馈强度的降低,低频起伏的峰峰值先增大后减小,平均周期一直减小,直至进入稳定状态,但不能转化为混沌. 当偏置电流I_b >1.03I_th时,随着反馈强度的降低,低频起伏的峰峰值一直增大,平均周期一直减小 关键词： 低频起伏 混沌 半导体激光器 反馈     

空间光通信的到达角起伏实验研究

 2006年上半年进行了距离为3 200 m的光束传输实验，对到达角起伏进行了24 h昼夜观测。实验中，每分钟进行一次连续测量，每次以1 kHz的信号采样频率连续采集10 s，得到10 000个到达角起伏实验数据，并反映了0.2~500 Hz频段的信息。根据高采样频率下的到达角起伏昼夜观测数据，分析了到达角起伏效应，并通过到达角起伏时间平滑因子，对曝光时间的平滑作用进行了研究。昼夜观测实验结果表明：在天气阴霾、能见度低的情况下，到达角起伏会显著减小；在强湍流区，到达角起伏出现饱和效应，在弱湍流区，到达角起伏的强度随着湍流强度的增加而增强；到达角起伏幅度随着曝光时间的增加而减小，由归一化协方差拟合关系得到的时间平滑因子计算结果与实验直接分析得到的结果一致。     

单原子光镊的激光强度起伏对原子俘获寿命的影响及改善

使用单束强聚焦的基模高斯光束可以构建光镊装载原子。虽然光镊一般选择远离原子共振跃迁线的激光,但是光镊的强度起伏仍然会导致原子逃逸,这样原子在光镊中的俘获寿命问题就变得至关重要。本实验以声光频移器(AOM)为主要元件,并施加外部反馈控制电路抑制937.7 nm波长光镊频域上的强度噪声以及时域上的功率起伏,降低光镊对原子的参量加热,从而有效延长原子在光镊中的俘获寿命。典型的频域噪声抑制带宽17 kHz,噪声强度抑制10 dB,时域内激光强度起伏可以从峰峰值起伏±1.350%抑制到±0.036%,有效地降低了光镊的强度起伏。实验结果表明我们可以将937.7 nm波长光镊中单个铯原子俘获寿命从200 ms延长至1 180 ms.为后续原子内态的制备、激发等操作提供充足的时间,保证原子处于俘获状态,提高了实验成功率,缩短了实验时长。     

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。     

复杂传播路径条件下激光光强起伏特性研究

对复杂地形情况下实际湍流大气中的激光强度起伏进行了系统的实验观测,分析了光强起伏统计特征的周日及全年变化规律。结果发现：复杂地形情况下实际湍流大气中的激光光强起伏,不论是概率密度分布还是其功率谱等统计特征均与理论上的偏离很大。     

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.     

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。     

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。     

Saturation of laser irradiance fluctuations beyond a turbulent layer

An asymptotic theory of saturated fluctuations of laser irradiance diffracted by a thin layer of turbulent medium is built. The treatment is carried out in the phase screen approximation for the case of a power law spectrum of inhomogeneities in the layer. Asymptotic forms of the covariance of irradiance fluctuations are obtained and the character of the scintillation index approach to the asymptotic value is investigated. Calculations are made for collimated and focused laser beams.     

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.     

INNER AND OUTER SCALE EFFECTS ON SCINTILLATION INDEX FOR AN INFRARED LASER PROPAGATING ON EARTH-SPACE PATHS

The effects of the inner-and outer-scale of turbulent atmosphere on the scintillation index for an infrared laser beam propagating through atmospheric turbulence are discussed under the assumption that small-scale irradiance fluctuation is modulated by large-scale irradiance fluctuation on Earth-space paths. A model about the scintillation index with the inner-and outer-scale is developed. A numerical analysis is done by using this model. It is shown that the effect of the inner scale on scintillation index is larger than the outer scale effect for the lesser wavelength wave at visible and infrared band. From moderate to saturation regime, the inner scale effect becomes gradually small; however, the outer scale effect becomes gradually obvious. Under moderate to strong regime, therefore, the effects of the inner-and outer-scale on scintillation index must be considered for theoretical prediction scintillation of an infrared laser beam propagating through turbulent atmosphere on Earth-space paths.     

Scintillation of a laser beam propagation through non-Kolmogorov strong turbulence

Atmospheric turbulence causes strong irradiance fluctuations of propagating optical wave under the severe weather conditions in long-distance free space optical communication. In this paper, the scintillation index for a Gaussian beam wave propagation through non-Kolmogorov turbulent atmosphere is derived in strong fluctuation regime, using non-Kolmogorov spectrum with a generalized power law exponent and the extended Rytov theory with a modified spatial filter function. The analytic expressions are obtained and then used to analyze the effect of power law, refractive-index structure parameter, propagation distance, phase radius of curvature, beam width and wavelength on scintillation index of Gaussian beam under the strong atmospheric turbulence. It shows that, with the increasing of structure parameter or propagation distance, scintillation index increases sharply up to the peak point and then decreases gradually toward unity at rates depending on power law. And there exist optimal value of radius of curvature and beam width for minimizing the value of scintillation index and long wavelength for mitigating the effect of non-Kolmogorov strong turbulence on link performance.