探测大气湍流的光强闪烁激光雷达

基于残余光强闪烁理论,分析了与大气湍流探测有关的激光雷达各项硬件参数并获得参数的优化范围,据此研制了一台用于大气湍流探测的光强闪烁激光雷达。背景基线、线性特征等性能测试表明,激光雷达各硬件工作正常,数据获取可靠。实验测量中获得了水平方向上闪烁指数和大气折射率结构常数随探测距离和时间的变化趋势,其中闪烁指数在450~2000 m探测距离范围内由0.001逐渐增大至0.350左右;大气折射率结构常数基本保持水平均匀性,在1.010-16~1.010-15m-2/3范围之内;大气折射率结构常数在10:00~21:00时间内大致呈现上午上升、下午下降、晚上上升的变化趋势,具有较明显的日变化特征。实验结果与理论和常规测量较为相符,表明光强闪烁激光雷达能够获取大气湍流的探测距离变化和日变化特征信息。     

探测大气湍流的光强闪烁激光雷达

基于残余光强闪烁理论,分析了与大气湍流探测有关的激光雷达各项硬件参数并获得参数的优化范围,据此研制了一台用于大气湍流探测的光强闪烁激光雷达。背景基线、线性特征等性能测试表明,激光雷达各硬件工作正常,数据获取可靠。实验测量中获得了水平方向上闪烁指数和大气折射率结构常数随探测距离和时间的变化趋势,其中闪烁指数在450~2000 m探测距离范围内由0.001逐渐增大至0.350左右;大气折射率结构常数基本保持水平均匀性,在1.010-16~1.010-15m-2/3范围之内;大气折射率结构常数在10:00~21:00时间内大致呈现上午上升、下午下降、晚上上升的变化趋势,具有较明显的日变化特征。实验结果与理论和常规测量较为相符,表明光强闪烁激光雷达能够获取大气湍流的探测距离变化和日变化特征信息。     

部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应

以修正Rytov方法为基础,利用部分相干高斯-谢尔(GSM)光束模型并结合Andrews的唯像闪烁模型,研究部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应。推导出适用于不同湍流情形的部分相干光对数光强起伏方差表达式,系统分析了部分相干光在大气湍流中的光强起伏方差。结果表明:在同等的湍流环境下,部分相干光比完全相干光的光强起伏方差要小;光束相干性越差,光强起伏越小,抗湍流能力越强。在不同大气湍流情形下,光源相干性、大气折射率常数等参数对光强起伏都有不同程度的影响。     

斜程湍流大气中部分相干艾里光束的偏振特性研究

偏振是激光通信中保密编码的重要参数,研究斜程湍流大气中的偏振特性对激光通信具有重要意义.利用广义惠? 更斯-菲涅尔原理和偏振-相干统一理论,推导了无衍射的部分相干艾里高斯光束在斜程湍流大气传输中的偏振度解析式,详细研究了湍流参数、相干长度、天顶角、截断因子和分布因子对偏振度的影响.研究结果表明:与水平湍流相比...     

艾里光束通过负折射率介质的传输特性

为了研究艾里光束(Airy beams)通过负折射率介质中的传输特性,利用ABCD矩阵光学理论推导出了Airy光束通过负折射率介质的传输解析表达式.利用该解析表达式得到了Airy光束通过负折射率介质的传输特性.计算结果表明,Airy光束通过负折射率介质后的自加速和光强都可以通过负折射率介质的工作频率调控.Airy光束通过负折射率介质的横向偏转系数随传输距离z的增大而加速偏转;同时当传输距离z相同而负折射率介质的工作频率不同时,偏转系数也不相同.Airy光束的强度和偏转度都可以通过负折射率介质的工作频率调控.结果显示可以利用负折射率介质的工作频率方便有效地调控Airy光束,研究结果在光学器件设计和医学科学中都有潜在的应用价值.     

光强闪烁对空间激光授时抖动的影响

基于多相位屏原理并利用功率谱反演法,建立了光强闪烁对脉冲到达时刻抖动的影响模型,仿真研究了不同接收孔径和不同传输距离条件下脉冲到达时刻抖动的变化规律。仿真结果表明:在孔径接收条件下,脉冲到达时刻抖动呈正偏态分布;采用大孔径接收天线可有效抑制脉冲到达时刻的抖动;与近地端相比,传输距离的变化对远地端脉冲到达时刻抖动的影响较小。搭建了大气湍流引起的脉冲到达时刻抖动的实验平台,采集了经过湍流信道传播的秒脉冲波形,利用门限检测法确定了脉冲到达时刻。实验结果表明,脉冲到达时刻抖动分布与理论分析结果相符。     

可调谐艾里光束及其传输特性

艾里光束是一种新型无衍射光束,解决了激光在传播过程中的衍射效应。基于艾里变换技术,介绍一种可以通过椭圆平顶高斯光束产生的新型艾里光束,即可调谐艾里光束。通过理论计算,可以看出调节椭圆平顶高斯光束的束宽比可获得单尾艾里光束,同时,可调谐艾里光束的尾长可以通过调节入射椭圆平顶高斯光束的阶数来控制。通过研究,当束宽比p=1时,艾里光束的加速方向沿x轴45方向;p=1/2时,加速方向沿x轴31方向,p=1/3时,加速方向为沿x正方向,可见调节束宽比p的大小可以改变艾里光束的加速方向。     

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。     

基于天气预报模式预报阿里天文站大气光学湍流EI北大核心CSCD

利用气象模式预报大气光学湍流,能够使地基望远镜根据不同的大气视宁度条件,选取相应的观测目标和终端设备,还可以优化自适应光学系统性能和激光器打击目标的发射时机。介绍了采用天气预报模式建立的大气光学湍流预报方法。利用该预报方法,采用数值和分析两种模型,分别提前3d、2d和1d预报出2011年11月6日夜间阿里天文站的气象参数、大气光学湍流强度Cn2廓线和视宁度。共计6次的预报结果均显示近地面层、边界层2km高度以及对流层12km高度存在强湍流层。与单星闪烁测量层析(SICDAR)的实测数据对比结果表明,本预报方法能够反映大气光学湍流廓线的结构特征。预报的视宁度反映出夜间的增大趋势和差分像运动视宁度仪(DIMM)实测结果相似。     

艾里光束的光强闪烁研究

基于Rytov方法并采用von-Karman模型对艾里光束的光强闪烁进行了分析。根据接收器接收面上光强度分布不均匀的现象,提出了艾里光束的面光强闪烁模型,推导了艾里光束在大气湍流中的面光强闪烁的表达式。数值仿真结果表明:当光束宽度一定时,相同光束传播距离下指数截断因子越小,光强闪烁越小;当传播距离为3km、指数截断因子为0.2时,艾里光束的宽度约为1.6cm,光强闪烁最小。此外,光源强度和接收光强相同时,将艾里光束与高斯光束进行了对比,发现艾里光束的光强闪烁小于高斯光束的光强闪烁。     

近海面大气折射率结构常数统计特性分析EI北大核心CSCD

大气折射率结构常数（Cn^2）是衡量湍流强度的重要物理量之一。利用大孔径闪烁仪对烟台地区近海面环境下2014年1～6月份的大气折射率结构常数进行了测量,对实测数据进行频率计数、日变化以及月变化统计特性分析,并与其他地理环境下的C2n值变化特征进行对比。统计分析对比结果表明：近海平面Cn^2值主要集中分布在10^-17～10^-14m^-2/3范围内,属于典型的中等偏弱湍流范畴;不同时段的Cn^2值没有呈现出其他环境常见的＂转换时刻＂变化特征,且夜晚与白天的Cn^2值无明显差别,日均值在10^-16～10^-14m^-2/3范围内变化,同时结合标准差对测试期间Cn^2数据的离散程度进行了详细的分析。     

部分相干光通过强湍流对光强闪烁的影响

在Rytov方差的基础上，利用Andrews的唯像闪烁模型，推导出部分相干光通过强大气湍流后的对数光强起伏方差，并在此基础上进行了仿真。结果表明：与光源的相干性变差，即变为部分相干光后，对数光强起伏方差变小；当采用多束部分相干光通过大气湍流时，接收面上光强起伏方差得到明显改善，而且光束越多，改善越明显。但利用部分相干光通信时，传输距离受限制，所以，光源的相干参数选择要适当。     

兰州地区光强分布及其起伏特性研究

在兰州地区夜间进行了链路长为610m的激光传输实验,研究了高斯激光在不同天气条件下的光强分布及其起伏特性.采用三维伪彩色变换方法,分析了光斑光强的空间分布规律,得到了光斑主瓣光强服从类高斯分布,并按照晴天、多云天、阴天的顺序,光斑几何中心位置附近光强分布的陡峭度依次减小,而其衰减则依次增大的结论.同时,利用实测光强值分析了大气闪烁指数,结果表明:晴天、雨后晴天和阴天下的闪烁指数分别为0.225 4、0.189 2、0.188 8,这说明晴天下的光强起伏大于雨后晴天和阴天的,且均为弱起伏.通过对归一化光强的频数分布进行非线性拟合得到了光强的概率密度分布,它们均服从对数正态分布,其中晴天下的概率密度曲线的拟合优度更是达到了0.997 50.     

涡旋光束在水下湍流中传输的闪烁因子的实验研究

为了研究涡旋光束和高斯光束在水下湍流中的闪烁特性,搭建了一套含有水下湍流的实验系统,利用循环泵控制水槽内湍流的强弱,使用闪烁仪测量光束的闪烁因子。利用这套实验系统,详细研究了涡旋光束和高斯光束在水下传输时的闪烁因子。研究结果表明,涡旋光束和高斯光束的闪烁因子随着传输距离的增大而增大,并且随着水下湍流强度增大,涡旋光束和高斯光束对应的闪烁因子也越大。在12.6m的传播距离内,拓扑电荷m=2的涡旋光束的闪烁因子远大于高斯光束的闪烁因子。另外,在不同强度的水下湍流中,拓扑荷数m=6的涡旋光束传播到5.4m时,其径向闪烁因子都先减小然后再增大。此外,拓扑荷数m=6的涡旋光束经过一定距离的传播后,其闪烁因子低于拓扑荷数m=4的涡旋光束的闪烁因子。本文研究结果对探索涡旋光束在海洋湍流中的应用具有重要价值。     

多艾里光束合成自聚焦光束的实验实现

多光束合成和单光束聚焦一直是提高激光束功率和功率密度的两个重要方法. 结合艾里光束在自由空间中沿弯曲路径传播的特性, 从数值模拟和实验两个方面, 研究了利用多个一维艾里光束合成自由空间自聚焦光束的方法, 并对所得到的模拟和实验结果进行了对比. 采用分步束传播法, 分别模拟了由四个和八个一维艾里光束合成的自聚焦光束在自由空间中的传播过程, 给出了自聚焦光束在传播过程中横向和纵向的光强分布和变化趋势. 采用计算全息和空间光调制器技术实验, 实现了多个一维艾里光束合成的自聚焦光束. 实验中分别测量了四个和八个一维艾里光束合成的自聚焦光束的横向光强分布. 实验结果和理论结果符合得较好. 另外, 为了进一步增大自聚焦光束的功率, 可以增加参与合成的一维艾里光束的数量. 同时, 自聚焦光束的焦距可以通过调整各个一维艾里光束的相对位置进行调节.     

大气信道间距与光束数目对光强起伏的影响

在Kolmogorov理论的基础上，推广了光束在接收面上相关函数的物理含义，分析了多光束在接收面上的相关性：并在此基础上形成多光束光强起伏方差的解析表达式。     

漂移对聚焦高斯光束闪烁影响的数值模拟

采用非自适应坐标变换对聚焦高斯光束在湍流大气中的传输进行了数值模拟,结果显示轴闪烁指数并没有出现如Rytov理论所预言的随初始光束半径的增大而明显减小的现象,其原因在于Rytov近似理论未考虑大尺度湍涡产生的漂移效应对闪烁的贡献。对比数值模拟结果与漂移理论结果以及相关实验结果,三者相吻合,表明未考虑漂移效应的Rytov近似理论不能完全准确地描述聚焦光束的闪烁特征,在研究聚焦光束的闪烁时,应当考虑漂移的影响。     

漂移对聚焦高斯光束闪烁影响的数值模拟

 采用非自适应坐标变换对聚焦高斯光束在湍流大气中的传输进行了数值模拟,结果显示轴闪烁指数并没有出现如Rytov理论所预言的随初始光束半径的增大而明显减小的现象,其原因在于Rytov近似理论未考虑大尺度湍涡产生的漂移效应对闪烁的贡献。对比数值模拟结果与漂移理论结果以及相关实验结果,三者相吻合,表明未考虑漂移效应的Rytov近似理论不能完全准确地描述聚焦光束的闪烁特征,在研究聚焦光束的闪烁时,应当考虑漂移的影响。