大气参数精度对激光传输预估结果的影响

通过对不同情况下参数测量误差导致的到靶激光平均功率密度变化的统计,得到了大气参数精度对激光传输计算结果的影响。风速和气溶胶吸收系数测量误差主要来自热晕效应的影响,热晕越强,对计算结果的影响就越大。强热晕时,风速±(5%～8%)的误差可导致计算结果约±10%的误差;气溶胶吸收权重±(10%～20%)的误差可导致计算结果约 10%的误差。强湍流弱热晕时,大气相干长度±(5%～7%)的误差可导致计算结果约±10%的误差。     

复杂大气背景下机载通信终端与无人机目标之间的激光传输特性研究

云层、气溶胶和大气分子是大气环境的主要组成部分.本文基于逐次散射法求解辐射传输方程,建立了复杂大气背景下机载无线光通信终端与地空无人机目标之间的激光传输模型.考虑真实大气背景中卷云、大气分子和气溶胶存在的情况下,数值计算了1.55 mm激光经机载通信终端发出后通过大气背景的直接传输和一阶散射传输后接收功率随无人机目标高度的变化关系,分析了飞机在云上、云中和云下以及卷云冰晶粒子有效半径、飞机与无人机之间的水平距离对接收激光信号传输功率的影响.数值结果表明:激光通过卷云传输的功率很大程度上取决于飞机在云上、云下或云中的位置;飞机与无人机目标之间的水平距离和卷云冰晶粒子的有效半径对激光直接传输和一阶散射传输影响较大;与云上大气相比,云下的大气分子和气溶胶对激光有较大的衰减.本文工作可为进一步开展地空链路上复杂大气背景对机载与低空无人机目标激光通信实验、无人机编队、指挥和组网技术的研究提供理论支撑.     

湍流大气中激光上行和下行传输时相位奇点的演化

利用激光大气传输四维程序数值模拟了激光在湍流大气中上行和下行传输时产生的相位奇点的变化过程。由模拟结果可知,当光束自地面向空中垂直上行传输时,相位奇点数密度随传输高度的变化有一个从无到有、从快速增加到缓慢增加、达到峰值后又减小的过程;湍流越强,畸变光场中产生的相位奇点数密度越大,达到的峰值越高,且达到峰值后减小的幅度也越大,但达到峰值时对应的传输高度越低;当激光自空中某一位置垂直下行传输时,相位奇点数密度随传输距离的增加有一个从无到有、从缓慢增加到快速增加且在接近地平面处急剧增加的过程。另外,通过对模拟结果的曲线拟合发现,激光在湍流大气中上行传输时产生的相位奇点数密度与传输高度的关系符合黑体辐射公式;当激光在湍流大气中下行传输时,相位奇点数密度随传输距离的增加呈指数增加。     

大气对激光传输的影响

本文分析了激光传输过程中大气这一传输介质对其的影响,由大气的成分出发,采用辐射传输理论描述了大气介质的吸收和散射特性,着重分析了其中对辐射影响最大的两种因素,即大气消光和大气湍流。并建立了大气传输系统的传递函数模型。最后通过LOWTRAN模拟软件包对本文所得的模型进行评估。     

地物散射和大气湍流导致的激光闪烁统计

通过分析大气湍流和地物散射对传输激光束的调制机理，运用双随机统计理论研究了空－地－空传输路径空载探测器接收到光闪烁统计问题。闪烁统计由大气湍流和地物（岩石，海洋和森林等）散射的联合效应给出，分析中采用最速下降法处理概率积分，获得了与岩石，海洋和森林二大类地物散射体对应的闪概率密度函数，广义Ｃｈｉ－Ｓｑｕａｒｅｄ地面散射与大气湍流综合调制效应明显地压缩了概率分布的宽度并使分布函数的峰值移向归一化强度     

各阶克尔非线性折射率对强激光大气传输的影响

用数值方法研究了各阶克尔非线性折射系数对强激光传输的影响,结果显示第7阶克尔非线性系数和第9阶克尔非线性系数协同影响激光传输,当第7阶克尔效应起作用时,忽略第9阶克尔效应的作用会导致光强随传输距离震荡剧烈,传输非常不稳定。要得到稳定传输需要第7阶克尔非线性系数和第9阶克尔非线性系数同时起作用或同时不起作用。在自聚焦阶段第3阶非线性折射率对折射率改变起主要作用,在稳定光丝传输阶段第7阶克尔非线性系数,第9阶克尔非线性系数起主要作用。第5阶克尔系数在整个传输过程中对折射率的改变一直比较小。     

各阶克尔非线性折射率对强激光大气传输的影响

用数值方法研究了各阶克尔非线性折射系数对强激光传输的影响,结果显示第7阶克尔非线性系数和第9阶克尔非线性系数协同影响激光传输,当第7阶克尔效应起作用时,忽略第9阶克尔效应的作用会导致光强随传输距离震荡剧烈,传输非常不稳定。要得到稳定传输需要第7阶克尔非线性系数和第9阶克尔非线性系数同时起作用或同时不起作用。在自聚焦阶段第3阶非线性折射率对折射率改变起主要作用,在稳定光丝传输阶段第7阶克尔非线性系数,第9阶克尔非线性系数起主要作用。第5阶克尔系数在整个传输过程中对折射率的改变一直比较小。     

激光大气传输湍流扰动仿真技术

为了研究激光大气传输时湍流效应对激光应用技术的影响,对湍流扰动的仿真进行了分析。介绍了在实验室内进行激光大气传输湍流扰动研究的数值仿真技术和仿真系统。阐述了快速傅里叶变换（FFT）和Zernike多项式两种湍流扰动数值仿真方法,并且对比了两种方法的优劣。利用物理相位屏搭建了实物湍流仿真系统,介绍了其理论模型并进行了仿真实验,对激光经湍流系统传输后的光强能量分布进行了研究分析。结果显示,室内湍流仿真系统能够准确地模拟弱起伏条件下湍流对激光传输的影响。     

大气风速对大气传输光束相位特性的影响

采用功率谱反演法构建湍流相位屏,通过横向平移相位屏的方法模拟大气风速引起的湍流时间变化,进而模拟分析了包括时间进程的激光大气传输特性,从波前相位功率谱密度的角度,定量分析了大气风速引起的激光束在大气湍流中传输时的相位特性变化。在此基础上,采用影响函数模拟变形镜对畸变波前的校正作用,对激光束经大气湍流传输后的自适应校正效果进行了预估,分析了大气风速对校正效果的影响。结果表明,大气风速对边界层湍流中光束相位特性的影响很小,然而,对于自由大气湍流中的传输光束,大气风速越大,波前相位畸变程度越大,畸变波前中高频相位比例也越大;环状光束的校正效果受大气风速的影响比平顶光束更小,并且,随着环状光束阶数的增大,校正效果所受影响逐渐减小;在一定相位畸变范围内,畸变程度越大的环状光束的相位校正效果受大气风速的影响越小。     

激光在不同类型气溶胶中传输特性研究

激光在大气中的传输衰减特性是激光工程应用中需要考虑的一个重要问题.本文针对常用的1.06 μm和10.6μm激光,基于Mie散射理论计算了气溶胶粒子的单次散射参量;对于激光在气溶胶中多次散射传输衰减,建立了蒙特卡罗模拟计算模型,利用Matlab语言编制了相应的计算程序,计算分析了两种波长的激光分别在沙尘性、水溶性、海洋性和煤烟性四种不同类型气溶胶中透过率与传播距离、能见度的关系,并将蒙特卡罗方法和单次散射的计算结果进行了比较.结果表明,当能见度较低、气溶胶粒子反照率较高时,单次散射计算存在很大的误差,用蒙特卡罗方法更能揭示多重散射现象;煤烟性气溶胶对1.06 μm激光的传输衰减影响最大,沙尘性气溶胶对10.6 μm激光的传输衰减影响最大.     

激光传输大气参量测量精度要求的数值分析

就激光大气传输湍流热晕相互作用下大气参量测量误差对激光传输效果（平均功率密度）的影响进行了数值分析,并以典型的激光传输条件为例,分析了对激光大气传输影响最为敏感的3个大气参量——风速、吸收系数以及湍流结构常数的测量精度要求。综合不同传输距离下大气参量测量误差对传输效果的影响,大气风速的测量精度要求为±10%,吸收系数及湍流结构常数的测量精度要求分别为±5%和±15%。     

激光雷达测量大气湍流廓线

介绍了一种利用成像激光光斑测量大气湍流廓线的激光雷达原理。通过对分层大气湍流的光束波面变化的测量,获取各分层大气湍流的相干长度,据此利用平面波近似算法反演湍流强度廓线。通过搭建的大气湍流廓线激光雷达实验系统获得了湍流廓线的实验数据,并且与系留飞艇搭载的温度脉动仪在同时段固定高度进行了对比实验,验证了近似递推算法的可行性。最后对实验中出现的误差进行了讨论。     

四孔差分像运动测量大气相干长度的方法研究

介绍了最新研制的基于四孔差分像运动法到达角起伏测量仪,利用该仪器测量的4个方向（两组正交方向）上的到达角起伏方差,从而推算出大气相干长度。在近地面水平路径的实验中发现,不同方向上的测量结果获得的大气相干长度值有一定的差别。测量结果表明：大气湍流存在一定的各向异性,在实际应用中应考虑这个因素;在一些应用场景下,大气相干长度应根据至少一组正交方向的测量结果来分析确定。     

激光在湍流大气中的干涉仿真

通过研究激光在湍流大气中的传输情况，旨在为光学高分辨率干涉成像提供理论依据。采用相位屏的近似处理方法对激光通过大气湍流传输进行模拟，研究激光通过湍流大气的干涉情况。试验结果表明：孔径间距越大，干涉条纹越密；在传输距离为2km，大气湍流折射率结构常数C2n为10-14，即接近强湍流的情况下，可以形成比较好的干涉条纹。孔径间距较小时，干涉的明暗条纹清晰可见。在实际干涉成像中，可以选择适当的孔径间距来获得较好的干涉条纹，从而获得目标的高分辨率像。     

大气湍流对多色部分空间相干光传输特性的影响

基于部分相干光的传输定律，对多色部分空间相干光的长程大气传输做了研究.结果表明，无论是否满足定标律，大气湍流会引起多色部分空间相干光的光谱移动和光束扩展；多色部分空间相干光光束扩展比多色完全空间相干光受湍流的影响小.然而，带宽对光强分布的影响较小. 关键词： 多色部分空间相干光 大气湍流 光谱移动 光束扩展     

Scintillation of partially coherent Gaussian–Schell model beam propagation in slant atmospheric turbulence considering inner- and outer-scale effects

Based on the modified Rytov theory and the international telecommunication union-radio （ITU-R） slant atmospheric structure constant model, the uniform scintillation index of partially coherent Gaussian-Schell model （GSM） beam propa- gation in the slant path is derived from weak- to strong-turbulence regions considering inner- and outer-scale effects. The effects of wavelength of beams and inner- and outer-scale of turbulence on scintillation are analyzed numerically. Compar- ison between the scintillation of GSM beams under the von Karman spectrum and that of beams under the modified Hill spectrum is made. The results obtained show that the scintillation index obtained under the von Karman spectrum is smaller than that under the modified Hill spectrum. This study can find theory bases for the experiments of the partially coherent GSM beam propagation through atmospheric turbulence.     

利用湍流廓线获得斜程大气相干长度的实验研究

用两种方法获得有限高度斜程大气相干长度。一种方法用安置在测量铁塔上的温度脉动仪以及多普勒声雷达测量了大气边界层下部折射率结构常数廓线,用以计算有限高度球面波斜程大气相干长度;另一种方法用系留气球搭载一个点光源,在地面用差分光学系统接收球面波到达角起伏法测量了实时斜程大气相干长度。对实验结果进行了比较和分析,二者都反映了实际大气斜程相干长度的时间变化特点。两种方法结果的相关性比较好,因此两种方法都可以在大气光学传输研究中应用。最后在实验的基础上对湍流廓线计算球面波斜程大气相干长度作了讨论。     

梯度倾斜相关测量水平C_n~2和横向风速廓线的理论与仿真研究

根据Rytov近似以及泰勒湍流冻结假设,推导出以不同距离的前向散射光为信标的水平路径上梯度倾斜角的相关表达式.基于该表达式,在理论上提出了计算湍流强度与横向风速的新方法,并通过数值仿真对该方法进行了初步验证.结果表明,在5%高斯误差情况下,大气折射结构常数和风速的计算结果与理论真值在整体变化上具有较好的一致性,线性相关系数分别能达到0.8与0.9.该方法能够得到不同湍流与风速条件下的湍流强度廓线以及风速廓线,为反演大气湍流强度以及风速提供了一种新思路.