高斯涡旋光束在大气湍流传输中的特性研究

为了研究大气湍流对高斯涡旋光束传递信息的影响,理论分析了经过大气湍流的高斯涡旋光束轨道角动量(OAM)模式的径向平均功率和归一化平均功率分布、固有模式指数、初始光束半径和湍流强度;采用纯相位扰动逼近的有效性,数值模拟高斯涡旋光束在传输中的OAM模式径向平均功率分布的变化。建立传输模型并进行外场激光大气传输实验,对比分析了模拟和实测的OAM归一化平均功率分布,结果表明在弱湍流条件下,OAM模式的径向平均功率随着接收器孔径尺寸的增加而变化,逐渐趋于稳定值。对于一般常用的接收孔径,在强湍流或较小的初始光束半径条件下对OAM模式干扰十分严重。验证了用数值方法模拟OAM在湍流介质中的模式变化过程的可靠性。     

OFDM-OAM光信号在大气湍流中的传输

在自由空间传输的过程中,轨道角动量(OAM)光束会受到大气湍流的影响,其螺旋相位会产生畸变,导致解调后的信号质量下降。为了研究不同湍流条件下大气湍流对正交频分复用(OFDM)-OAM光信号的影响,使用non-Kolmogorov湍流模型,通过改变模型中折射率结构常数C■和大气指数α模拟不同情况下的大气湍流,测试OAM光信号经过湍流模型后的解调高斯光强图样、光束强度以及其携带的OFDM-16QAM信号的误码率。实验结果表明:non-Kolmogorov湍流模型中C■和α的改变会对解调后的高斯光束以及探测到的OFDM信号产生一定的影响,而在发送端进行信道编码可以从一定程度上改善湍流对传输信号的影响。     

湍流大气传输中跟踪抖动对远场影响的仿真研究

分析了跟踪抖动对湍流大气传输远场光斑的影响。基于麦克斯韦电磁场理论,采用大气相干长度对大气湍流进行描述,推导了发射光束因跟踪抖动导致光轴偏离的远场表达式。在此基础上,利用相位屏法模拟抖动引起的倾斜相位和大气折射率起伏引起的相位调制,并采用低频补偿的功率谱反演法对传输过程进行了数值仿真。分析了不同跟踪抖动、湍流强度条件下远场光斑质心脱靶量的变化,以及不同尺寸模拟目标的回波概率。分析结果表明,在传输距离为10 km时,强湍流造成的远场光斑脱靶量可达几十μrad;当跟踪抖动较大时,湍流强弱对脱靶量影响差别很小。最后,对一定尺寸的模拟目标,从探测回波概率的角度给出了发射系统跟踪抖动量的控制范围。     

拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的螺旋谱特性

研究了拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的传输特性.在利托夫近似下,得到接收孔径处光束的螺旋谱的积分表达式.通过数值仿真得出大气湍流对光束螺旋谱的影响以及光束螺旋谱随各参数值的变化特性.仿真发现大气湍流会使螺旋谱发生弥散.而且随着拓扑荷,接收孔径半径,折射率结构函数及距离的增加,螺旋谱弥散加剧.经拟合得到描述螺旋谱弥散程度的无量纲方差V随距离成6次函数关系;与接收孔径半径及折射率结构函数成二项式关系;而与拓扑荷呈11次多项式关系.最后得出径向指数,束腰半径对螺旋谱的影响非常小,并且根据此结论推出光 关键词： 拉盖尔-高斯光束 大气湍流 螺旋谱 无量纲方差     

湍流大气中厄米-高斯光束M2因子的变化

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和Wigner分布函数二阶矩的定义,推导出直角坐标系下大气湍流中部分相干光的M2因子传输公式。以厄米-高斯（H-G）光束为例,给出了H-G光束通过大气湍流传输后M2因子的解析表达式,并采用Tatarskii谱,详细讨论了M2因子的主要影响因素。结果表明,M2因子主要由光束的束腰宽度、波长、光束阶数、大气湍流的折射率起伏结构常数和在湍流中传输距离决定。随着光束阶数、折射率起伏结构常数及传输距离的增大,M2因子明显增大,光束阶数越高,湍流对M2因子变化的影响越小。对于给定的传输距离,存在最佳初始束宽,使M2因子最小。     

大气湍流下的轨道角动量编码测量设备无关量子密钥分发

基于Kolmogorov及非Kolmogorov湍流模型,分析了大气湍流对光子轨道角动量(OAM)的散射效应,得到了探测端不同OAM模式的概率。分析了两种湍流条件下OAM编码测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)的密钥生成率与最大传输距离。仿真结果表明,当光束在大气信道传输时,光束的径向强度逐渐增大,湍流对光子OAM的散射效应逐渐增强,初始OAM发散为相邻OAM模式并趋于无规则分布,探测端测得初始OAM模式的概率不断减小。大气湍流下OAM编码MDI-QKD的最大传输距离比偏振编码MDI-QKD的长约10km。     

激光在湍流大气中传输的闪烁系数及其测量

 理论研究了激光光束经过湍流大气后闪烁系数的变化规律,以ARM7的嵌入式系统构建数据采集模块,在采集激光光强因为大气湍流影响而变化的数据的基础上对存储的数据使用闪烁系数数学模型进行运算,运算结果通过网络传输,由PC端的界面显示变化曲线,从而了构造一个可以感测大气湍流的远程探测系统。用转动的相位板模拟湍流大气,利用所开发的测试系统测量激光光束通过湍流大气后的闪烁系数。实验结果显示高斯光束在湍流大气中的闪烁系数随传输距离的增加而增大,与理论模拟结果基本相符。由此可见该系统工作可靠稳定,可实时测量激光光束经过湍流大气的闪烁系数。     

激光在湍流大气中传输的闪烁系数及其测量

理论研究了激光光束经过湍流大气后闪烁系数的变化规律,以ARM7的嵌入式系统构建数据采集模块,在采集激光光强因为大气湍流影响而变化的数据的基础上对存储的数据使用闪烁系数数学模型进行运算,运算结果通过网络传输,由PC端的界面显示变化曲线,从而了构造一个可以感测大气湍流的远程探测系统。用转动的相位板模拟湍流大气,利用所开发的测试系统测量激光光束通过湍流大气后的闪烁系数。实验结果显示高斯光束在湍流大气中的闪烁系数随传输距离的增加而增大,与理论模拟结果基本相符。由此可见该系统工作可靠稳定,可实时测量激光光束经过湍流大气的闪烁系数。     

复宗量厄米-高斯光束在大气湍流中的传输特性

采用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分方法和Wigner分布函数的二阶矩定义,推导出在直角坐标系下激光光束经大气湍流传输的远场发散角、束宽以及M2因子的解析表达式,并以复宗量厄米-高斯(EHG)光束为例,定量分析了EHG光束在大气湍流中的传输特性。研究表明,光束在大气湍流中传输后的M2因子与入射面上的M2因子、入射面的二阶矩、传输距离、波数以及湍流的影响因子有关;随着在大气湍流中传输距离的增加,EHG光束的远场发散角、束宽和M2因子均会逐渐增大;大气湍流对高阶EHG光束的远场发散角、束宽和M2因子的影响更小;EHG光束在大气湍流中的M2因子与传输距离、湍流的折射率结构参数、光束波长、光束阶数以及基模高斯光束的束腰宽度密切相关。     

指向误差对海上无线光通信误码率性能的影响分析

基于近海环境的大气信道测试链路,实时测量了大气湍流中的大气折射率结构常数、光束漂移方差和光束半径等参数的实验数据。对仅考虑湍流影响和考虑指向误差影响的无线光通信的误码率(BER)模型进行对比分析,分析考虑指向误差影响下的BER分别随大气折射率结构常数、光束漂移和光束扩展半径的变化关系。分析结果表明,实际测量的BER分布随着大气折射率结构常数的增大而变大,受到光束漂移和光斑扩展效应的影响,在大气折射率结构常数较小时,实际测量BER较理论计算的BER大10~20个数量级。     

湍流大气中厄米-高斯光束M2因子的变化

 基于广义惠更斯-菲涅耳原理和Wigner分布函数二阶矩的定义,推导出直角坐标系下大气湍流中部分相干光的M²因子传输公式。以厄米-高斯（H-G）光束为例,给出了H-G光束通过大气湍流传输后M²因子的解析表达式,并采用Tatarskii谱,详细讨论了M²因子的主要影响因素。结果表明,M2因子主要由光束的束腰宽度、波长、光束阶数、大气湍流的折射率起伏结构常数和在湍流中传输距离决定。随着光束阶数、折射率起伏结构常数及传输距离的增大,M²因子明显增大,光束阶数越高,湍流对M²因子变化的影响越小。对于给定的传输距离,存在最佳初始束宽,使M2因子最小。     

部分相干光在大气湍流中斜程传输路径上的展宽与漂移

基于Andrews和Philips经典漂移方差模型,利用部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中斜程传输的光束扩展半径,推导出考虑外尺度情况时部分相干高斯-谢尔光束斜程情况下的漂移方差表达式,应用随高度变化的大气结构常量模型进行数值计算,对比分析了部分相干光和完全相干光在大气湍流中的展宽和漂移特性.结果表明:相同的传输条件下,部分相干光比完全相干光的光束扩展更迅速,受湍流的影响也更小;初始半径越大,接收机高度越高,光束的扩展效应越小;随着传输距离的增大,光束的质心漂移方差随光束初始半径的增大而减小,不同相干性的光束漂移方差变化很小;完全相干光的光束漂移受波长的影响较小,而部分相干光的波长越长,漂移越明显.     

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.     

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。     

大气湍流中高斯空心涡旋光束的焦面光强分布

运用广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了聚焦高斯空心涡旋光束通过湍流大气传输后在焦平面内的光强分布的理论模型,同时分析了不同大气折射率结构常数C2n、聚焦距离、光束拓扑荷和湍流外尺度对焦面光强分布特性的影响.结果表明:随着聚焦距离的增加,焦面光强分布由中央凹陷状向高斯分布转变.弱湍流对焦面光强分布的影响可以忽略;高拓扑荷光束在湍流大气中传输时光波奇异性的保持较低拓扑荷奇异光束要强;随着湍流外尺度增加,焦面光强分布的中央凹陷状变浅,光强分布变平滑.     

多光束发射对湍流效应下激光传输的影响

大气湍流引起的光强起伏会导致大气闪烁、光束漂移、到达角起伏和波前畸变等效应.多光束发射技术是克服激光大气传输中光强起伏的有效途径之一.以单光束、双光束、四光束以及八光束发射为例,通过计算峰值光强、环围功率半径以及像散参数等光束质量参数,得到单光束和多光束大气传输的光强起伏特性.结果表明:随着光束数目的增加,峰值光强显著...     

激光雷达大气湍流测量方法研究

 报道了一种用激光雷达方法测量大气湍流的技术，利用发射激光束在空间所需位置产生一个聚焦光斑，通过此光斑处的大气分子瑞利散射机制形成一个空间的人造散射光源，接收系统对此光源的散射光进行探测，测量出从地面到此空间散射光源之间的大气湍流参数。给出了对武汉上空大气湍流测量的初步结果。得到了不同高度层的大气相干长度随时间的变化特性、平均值和起伏均方差，并对实验测量和模型计算的大气折射率结构常数在相应高度段的积分值进行了比较，二者积分值都在10-12量级，得到的结果基本相符。这种测量方法的实现，为测量空间不同方位、不同距离的大气湍流提供了一种新的手段。     

基于M2因子测量的大气湍流参数的确定方法

基于广义惠更斯-菲涅尔原理以及大气湍流理论,推导出部分相干光束在大气湍流中传输的光束传输M ^{2因子的解析表达式.定量分析了表征大气湍流参数的折射率结构常数 C2_n}和涡旋内尺度 l _{0对 M ^{2因子的影响,并由此提出了一种通过实验测量大气湍流中光束的 M 2因子,进而确定出大气湍流参数的新方法.研究结果表明,由于大气湍流对相干性好的光束影响更为明显,在测量中可采用具有高相干性的基模高斯光束作为测量光源,而测量装 关键词： 2因子')" href="#">光束传输 M 2因子 大气湍流参数 湍流折射率结构常数 湍流涡旋内尺度}}     

不同地区大气折射率结构常数分布特性及分析

 大气湍流对光波传播的影响主要是由于大气随机起伏的湍流引起折射率的随机起伏,破坏了光波的相干性。研究传输问题就是研究湍流所造成的折射率随机变化的规律。主要利用HTP-2型温度脉动探空仪对大气折射率结构常数进行了实地探测及计算分析。通过对大量探空实验数据的统计分析,分别得出了合肥地区和北方干旱地区(0～30km)大气折射率结构常数在不同季节的白天和夜间的分布廓线和分布特性,对合肥地区和北方干旱地区的大气湍流结构特性有了比较清晰的认识,为大气光学传输工程的应用和理论计算提供了参考。     

不同地区大气折射率结构常数分布特性及分析

大气湍流对光波传播的影响主要是由于大气随机起伏的湍流引起折射率的随机起伏,破坏了光波的相干性。研究传输问题就是研究湍流所造成的折射率随机变化的规律。主要利用HTP-2型温度脉动探空仪对大气折射率结构常数进行了实地探测及计算分析。通过对大量探空实验数据的统计分析,分别得出了合肥地区和北方干旱地区(0～30km)大气折射率结构常数在不同季节的白天和夜间的分布廓线和分布特性,对合肥地区和北方干旱地区的大气湍流结构特性有了比较清晰的认识,为大气光学传输工程的应用和理论计算提供了参考。