强湍流效应下激光大气传输短曝光光斑统计分析

利用数值模拟的方法,对强湍流效应下激光大气传输焦平面短曝光光斑的统计特性进行了初步分析,并与实验结果进行了对比。结果表明:在强湍流效应下,焦平面短曝光光斑破碎成一系列的小光斑,这些破碎光斑的等效半径与爱里斑半径近似相等;接收器中心置于光轴轴心处,当接收孔径等于爱里斑直径时,接收的均值光强最大。     

基于散斑抑制的合成孔径激光成像雷达的结构和工作模式

目标漫反射产生的激光回波散斑效应严重影响合成孔径激光成像雷达(SAIL)的成像质量。在体系结构上提出了抑制散斑效应的系统性解决方案,建立了SAIL结构和工作模式设计的理论基础。研究了SAIL中与目标分辨单元尺寸、啁啾波长变化、目标相关性质和接收面光强随机分布有关的散斑统计特性。定义了SAIL光学接收天线的散斑孔径积分场复相干函数,它是天线孔径相关函数和目标分辨单元相关因子的卷积,其宽度就是可实现的孔径合成长度,给出了实现较大的孔径合成长度的发射口径、接收口径和实际孔径合成长度的设计原则,发现和分析了由啁啾散斑移动产生的拍频信号波动。最后建议采用滑动聚束模式来有效使用散斑效应造成较短的孔径合成尺度,因为其光束扫描宽度对SAIL移动距离有放大作用。同时也提出了具有多发射机/多接收机的多通道结构以提高回波散斑光场的探测率。     

合成孔径激光成像雷达散斑天线接收特性分析

合成孔径激光成像雷达(SAIL)时空散斑效应严重影响了成像质量。在时空散斑效应基础上,分析了合成孔径激光成像雷达中的散斑天线接收特性,建立了光学接收天线散斑孔径积分场的物理模型,模拟了目标分辨单元光学接收天线散斑孔径积分场距离向时间变化、方位向空间变化的二维分布。分析了不同接收天线散斑尺度比、不同天线积分起始位置对接收天线散斑孔径积分场的影响,并根据其统计性质得到散斑效应影响较小的接收天线尺寸和接收天线积分范围,为合理设计散斑效应较小的接收天线尺寸提供了参考,对进一步分析时空散斑效应如何影响SAIL目标成像有直接意义。     

采用大口径投影光学系统监测远场散斑特征参数

大口径投影光学系统采用低成本、大口径菲涅耳透镜制作,可将远场散斑强度分布投影到CCD成像探测器上。通过CCD图像处理,能够对给定孔径上的接收功率、闪烁指数进行量化评估;在接收孔径足够大、保障散斑不会因为光束漂移效应而脱离菲涅耳透镜的条件下,该系统还可以对光束漂移和特征半径进行量化评估。同时讨论了CCD像元响应非均匀性误差及其影响、CCD辐照响应函数和图像几何投影系数的定标方法。实验表明,系统能够对激光大气传输过程中的远场散斑特征参数进行监测。特别对自由空间激光通信系统而言,可以为大气衰减和多种大气湍流效应综合作用下的中值电平慢衰落研究和检测阈值优化设计提供实验数据支撑。     

激光收发望远镜的几何布局对光束到达角起伏相关性的影响

大气湍流的倾斜扰动会导致光束在通过大气后到达角发生起伏。对于激光测距、激光导引星等应用场合,激光分别在发射和接收时两次通过了湍流大气。激光收发望远镜几何布局方式的不同会引起激光发射和接收光路中的倾斜相关性出现差异,最终影响接收望远镜探测到的激光到达角起伏。从激光收发望远镜布局的一般几何模型出发,利用Zernike多项式波前展开,给出了受大气湍流影响的分离孔径倾斜相关函数。分析了收发共光路与非共光路情况下,不同的几何限制导致的光束到达角起伏相关性变化。最后,讨论了不同的激光收发望远镜的几何布局对接收望远镜探测到的光束到达角起伏的影响。     

大气中激光到达角起伏引起跟踪系统角误差的研究

为研究大气结构常数、湍流特征尺度、跟踪距离以及接收孔径对激光跟踪系统角精度的影响,采用同时包含湍流内尺度和外尺度影响的综合湍流谱对大气湍流中激光到达角起伏引起的激光跟踪系统角误差进行了数值模拟。结果表明：激光跟踪系统测角精度与系统接收孔径大小有关,并随大气结构常数和跟踪距离的增大而降低;湍流内尺度和外尺度仅在有限范围内影响跟踪系统角精度。分析结果可为系统设计提供参考。     

孔径平均效应对采用相位补偿技术的空间相干光通信系统误码率的影响

基于大气湍流影响下的空间相干光通信系统模型和孔径平均效应的平面波模型,通过数值模拟研究了弱光强波动条件下孔径平均效应以及大气湍流内外尺度对相干光通信系统误码率和接收孔径直径最优值的影响。研究结果表明:孔径平均效应能够有效减小相干光通信系统的误码率,改善系统性能;原始信噪比越高,传输距离越短,波长越长,相位补偿模式的J值越大,接收孔径直径越接近最优值,孔径平均效应对误码率的改善效果越明显;孔径平均效应会影响接收孔径直径的最优值,相位补偿模式的J值越大,影响越明显;系统误码率和接收孔径直径最优值会随着大气湍流内尺度的增大而相应增大,随着大气湍流外尺度的减小而相应减小。研究结果将为空间相干光通信系统设计提供必要的理论依据。     

高斯谢尔光束通过湍流大气漫射目标的散射统计

基于广义惠更斯菲涅耳原理分析了高斯谢尔光束通过湍流大气漫射目标的散射统计特性。假定相位结构函数起主导作用,根据高斯谢尔光束的交叉密度函数,推导了散斑场的互相干函数表达式,进而得出接收面处的散斑尺寸大小和强湍流起伏的时延协方差函数表达式。数值分析了源相干长度、波长、湍流强度对互相干函数的影响。对理想漫射目标,接收面的散斑尺寸大小由束腰宽度、源相干长度和湍流强度确定,随着湍流强度的增加,散斑尺寸变小;在弱湍流区,散斑尺寸由源相干长度决定,当湍流增强时,散斑尺寸大小逐渐趋于一致。     

高斯谢尔光束通过湍流大气漫射目标的散射统计(英文)

基于广义惠更斯菲涅耳原理分析了高斯谢尔光束通过湍流大气漫射目标的散射统计特性。假定相位结构函数起主导作用,根据高斯谢尔光束的交叉密度函数,推导了散斑场的互相干函数表达式,进而得出接收面处的散斑尺寸大小和强湍流起伏的时延协方差函数表达式。数值分析了源相干长度、波长、湍流强度对互相干函数的影响。对理想漫射目标,接收面的散斑尺寸大小由束腰宽度、源相干长度和湍流强度确定,随着湍流强度的增加,散斑尺寸变小;在弱湍流区,散斑尺寸由源相干长度决定,当湍流增强时,散斑尺寸大小逐渐趋于一致。     

高能激光环形光束近场和远场传输特性

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明:随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.     

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。     

空间激光通信中光强起伏尺度特征的数值分析

利用数值模拟的方法,定量地计算分析了空间激光通信中光强起伏问题,得到了准直光束与聚焦光束光强起伏相关距离（不均匀元半径）随大气相十长度变化的结果;进而分别从接收效率和性价比等不同的角度对激光通信系统接收孔径选取的参考因素进行了探讨。根据现代光通信对误码率的最低要求定义最佳接收孔径,计算分析了聚焦光束空间激光通信系统最佳接收孔径随大气相干长度r0的变化关系。结果表明,最佳接收孔径随大气相干长度的减小而迅速增大。对于聚集光束空间激光通信而言,在大气相干长度ro约为4cm的强湍流效应情况下,通信系统的接收孔径接近5倍艾里斑直径,才能满足国际电信联盟-电信标准部对光通信的最低要求。     

强激光远场光斑强度分布测量技术

准确测量激光远场光斑强度时空分布是分析强激光大气传输效应和评价激光系统性能的有效手段。概述了测量激光光斑强度分布的几种方法及其适用性,重点叙述了基于阵列探测法的强激光远场光斑强度分布测量技术,总结分析了量热阵列法、光电阵列法和量热/光电复合法等三类阵列探测系统应用特点。最后介绍了两种分别用于测量连续波高能激光和重频脉冲激光的光电阵列靶斑仪,系统具有结构紧凑的特点,能够满足运动靶目标上强激光参数测量要求。     

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)。     

基于阵列式探测器的高能激光大气传输试验与评估方法研究

对高能激光大气传输效应进行了理论分析,并结合数值算例定量分析了能见度和传输距离对到靶功率的影响。在此基础上,提出了一种基于阵列式探测器的高能激光大气传输试验与评估方法,给出了高能激光束到靶光斑参数的计算方法。研究结果能够用于测量高能激光通过大气传输后的激光功率密度时空分布,评估舰载高能激光武器大气传输能力,为未来开展高能激光武器外场试验奠定理论基础。     

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。     

近地面大气光学湍流空间相关特性的实验研究

本文提出了基于光纤湍流传感器阵列的大气光学湍流空间相关函数测量原理, 并确定了具体的测量方案和数据统计方法. 利用光纤湍流传感器阵列在近地面开展了大气光学湍流空间相关特性的实验测量研究, 尽可能全面地展示光学湍流空间相关函数的各种形式. 结果表明, 大气光学湍流的一维空间相关函数主要表现为两种结构形态, 其一, 58.7%基本符合各向同性湍流空间相关函数模型, 其相关函数在一定尺度范围内呈现随尺度的增大而减小的趋势, 当超过该尺度时, 相关系数接近于0; 其二, 另有37.9%表现为与尺度无关, 相关系数维持在0附近小幅度随机振荡. 不难发现:光学湍流的空间相关特性主要取决于湍流的强弱和湍流是否得以充分发展, 同时, 湍流的相干结构将引起空间相关函数的小幅度振荡. 以空间布点探测直接获取光学湍流空间相关函数的方法, 不仅为分析湍流空间结构奠定了实验基础, 同时, 也为进一步建立非K湍流模型提供了理论开端.     

特殊函数在湍流大气传输光束漂移中的应用

研究特殊函数在激光湍流大气传输光束漂移效应中的应用,为提高跟瞄系统的瞄准精度提供理论依据。基于特殊函数和修正Von Karman谱,对斜程湍流大气传输光束漂移方差表达式进行了数值仿真。数值模拟表明,特殊函数高次项的近似舍去对激光湍流大气传输光束指向精度影响甚微。在外尺度较小时,光束漂移方差变化较快;随着外尺度的增加,光束漂移增加缓慢且趋于饱和。在相同的外尺度下,发射孔径（初始光束束径）与发射天顶角的增大对光束漂移具有抑制作用,且天顶角接近π/2,光束漂移角方差快速减小。     

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     

星地下行孔径接收闪烁频谱的理论研究

 基于孔径接收的对数振幅时间相关函数，结合星地激光下行链路的实际情况，推导了适用于星地下行孔径接收的闪烁频谱表达式。进而分析了孔径尺度和湍流外尺度对闪烁频谱的影响。结果表明，下行孔径接收闪烁频谱分为低频段和高频段两个区间，低频段为常数，高频段呈幂指数规律变化，且幂律的绝对值为11/3。当接收孔径增加时，频谱的幅值和宽度逐渐减小，其形状保持不变。随着等效湍流外尺度的增加，低频谱的幅值逐渐增大，高频谱保持不变。