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。     

湍流大气脉冲波束经漫射目标散射的统计特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和粗糙面散射理论,考虑发射机到目标和目标到接收机双程路径中大气湍流对光束传输的影响,研究了脉冲波束经漫射目标散射后的二阶统计特性。推导了接收机处双点双频互相干函数(MCF)的表达式,计算得到平均强度以及复相干度因子,并对此进行数值模拟。结果表明,相位结构函数占优情况下,接收面的脉冲平均强度与大气湍流水平无关;但脉冲相干带宽与湍流强度、中心频率、湍流外尺度、观察处两点间距离、频差有关。     

海洋湍流下涡旋光束经粗糙面的回波特性

光场回波散射特性是未来水下激光通信与探测一体化的关键技术之一,而具有螺旋波前结构的涡旋光束[如拉盖尔-高斯（LG）光束]更适合抑制海洋湍流的影响。利用广义Huygens-Fresnel原理,推导出弱海洋湍流中LG光束经高斯分布粗糙表面反射的回波散斑强度的解析表达式;数值分析了光源参数、海洋湍流以及粗糙目标表面参数对回波散斑场复相干度的影响。结果表明,复相干度随着LG光束拓扑荷数、束腰半径、波长的增大而减小,随着海洋湍流强度的增大而降低,随着粗糙面相干长度的增加而增大,并且当粗糙表面的相干长度大于球形波在海洋湍流中传播的相干长度时,复相干度变化不明显,表明此时粗糙表面对复相干度的影响远小于海洋湍流的影响。这一结论为海洋湍流条件下目标探测与识别提供了参考。     

大气湍流对斜程传输准单色高斯-谢尔光束时间相干性的影响

由第一类零阶贝塞尔函数的级数展开推导出波结构函数在任意湍流条件下的近似表达式。由广义惠更斯-菲涅耳原理、随高度变化的Hufnagel-Valley湍流廓线模型以及波结构函数在任意湍流条件下的近似表达式,导出了斜程传输时准单色高斯-谢尔光束互相干函数的解析式。然后,利用表征光束时间相干性的纵向相干长度(可由互相干函数导出),研究了斜程传输时大气湍流对准单色高斯-谢尔光束时间相干性的影响。研究结果表明,准单色高斯-谢尔光束的时间相干性在整个斜程传输过程中保持不变。最后,对该结果在物理上给予了定性解释。     

湍流大气中漫射目标的平均强度和信噪比

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,根据Rytov相位结构函数的二次近似,推导了湍流大气中漫射目标探测器表面的平均强度和信噪比的解析表达式。给出不同类型尺寸的漫射目标散射波经湍流大气传输在探测器表面的平均强度和信噪比,数值分析了不同目标尺寸、湍流强度、透镜大小对探测器表面平均强度和信噪比的影响。目标尺寸和透镜尺寸越大,信噪比越大;相反地,湍流越大,信噪比越小。     

部分相干离轴涡旋光束在大气湍流中的光强分布

根据广义惠更斯-菲涅耳原理以及交叉谱密度函数,利用Kolmogorov湍流谱推导得到部分相干离轴涡旋光束在大气湍流中传输时光束的光强分布表达式,讨论了离轴距离、拓扑荷数、束腰宽度、相干长度、传输距离、湍流强度参数对光强分布的影响。仿真结果表明,拓扑荷数的大小不会改变暗核的位置;离轴距离的正负号决定了暗核移动的方向和光强集中区域的方向;暗核向上移动的距离随相干长度、束腰宽度的增大而减小,随传输距离、湍流强度的增大而增大;光斑展宽随相干长度、束腰宽度、传输距离、湍流强度的增大而增大。     

光束在尾流气泡中传输的复散射效应

为了了解光束在尾流气泡中的传输特性,为前向光尾流的探测提供理论依据,研究了光束在尾流中传输时传播方向上和横截面方向上的辐射强度分布特性.基于辐射传输方程的小角度近似解,得到了探测截面上的约化强度和漫射强度的表达式,其中漫射强度表征了复散射的强弱;针对典型的尾流气泡分布,通过数值计算分析了光束传输方向上的约化强度和漫射强度与接收视场角、光学厚度和光束大小的关系,也计算分析了光束横截面方向上的辐射强度随光束大小和横向距离的变化关系.结果表明,光束在尾流气泡中传输时复散射效应明显,且复散射的强弱与接收视场角、光束直径、光学厚度和横向距离密切相关.     

光束在尾流气泡中传输的复散射效应

为了了解光束在尾流气泡中的传输特性,为前向光尾流的探测提供理论依据,研究了光束在尾流中传输时传播方向上和横截面方向上的辐射强度分布特性.基于辐射传输方程的小角度近似解,得到了探测截面上的约化强度和漫射强度的表达式,其中漫射强度表征了复散射的强弱|针对典型的尾流气泡分布,通过数值计算分析了光束传输方向上的约化强度和漫射强度与接收视场角、光学厚度和光束大小的关系,也计算分析了光束横截面方向上的辐射强度随光束大小和横向距离的变化关系.结果表明,光束在尾流气泡中传输时复散射效应明显,且复散射的强弱与接收视场角、光束直径、光学厚度和横向距离密切相关.     

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。     

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。     

高能激光自主自适应光学系统及激光散斑效应

设计了高能激光自主自适应光学系统,利用高能激光的主动照明探测方式对目标进行探测。由于接收到的探测回波光场受散斑效应的影响,因此建立了探测系统的物理模型,具体分析散斑效应的影响。通过散斑光强自相关函数,理论上分析确定了散斑的平均尺度;通过部分相干理论,研究了该系统接收面散斑孔径积分场复相关函数并讨论了不同散斑天线尺度比情况下的积分场复相关函数宽度;分析了目标的成像放大率和理想分辨率,讨论了物像尺度与焦平面光斑尺度之间的关系;通过系统的数值仿真,分析了不同尺度散斑对焦平面光斑阵列的影响;叠加大气湍流,确定了散斑场对大气湍流探测的影响。结果表明散斑尺度介于阵列子孔径和大孔径尺度之间为最佳设计,此时较高的位移测量精度和整体探测率可以兼得。     

大气湍流对斜程传输准单色高斯-谢尔光束空间相干性的影响

由湍流大气中斜程传输时准单色高斯-谢尔(GSM)光束互相干函数的解析式导出了该光束的复相干度.然后，利用表征光束空间相干性的横向相干长度，研究了斜程传输时大气湍流对准单色GSM光束空间相干性的影响.研究结果表明：1)当传输路径偏离水平方向较大(即θ≤88°)时，准单色GSM光束横向相干长度随传输距离均为先迅速增加，后缓慢增加，最后基本保持不变.2)当传输路径接近水平方向(即θ≥89°)时，准单色GSM光束横向相干长度随传输距离均为先增大，达到一个最大值后开始下降并持续减小.3)     

湍流大气传输高斯谢尔光束的到达角起伏

研究了在弱大气湍流起伏环境下以窄带宽高斯谢尔光束为激光光源的大气通信问题,分析了大气湍流强度和光源空间相干度对通信光束到达角起伏的影响.采用窄带宽光场的交叉谱密度函数代替光场互相干函数的近似方法和采用包含大气湍流内外尺度的简化折射率谱密度函数,得出了湍流大气中传输高斯谢尔光束的波结构函数(WSF) 和到达角起伏方差解析近似关系.分析表明,光源的空间相干度和传输光束的湍流扩展是影响高斯谢尔光束的相位起伏结构函数和传输光束到达角起伏的重要因素.     

大气湍流对斜程传输准单色高斯-谢尔光束空间相干性的影响

由湍流大气中斜程传输时准单色高斯-谢尔(GSM)光束互相干函数的解析式导出了该光束的复相干度.然后,利用表征光束空间相干性的横向相干长度,研究了斜程传输时大气湍流对准单色GSM光束空间相干性的影响.研究结果表明：1)当传输路径偏离水平方向较大(即θ≤88°)时,准单色GSM光束横向相干长度随传输距离均为先迅速增加,后缓慢增加,最后基本保持不变.2)当传输路径接近水平方向(即θ≥89°)时,准单色GSM光束横向相干长度随传输距离均为先增大,达到一个最大值后开始下降并持续减小.3) 关键词： 大气光学 空间相干性 高斯-谢尔光束 斜程传输     

大气湍流对部分相干平顶高斯光束的影响

采用相屏近似处理方法对激光通过湍流大气的传输进行了数值模拟。从数值模拟的结果拟合出两个公式:一是通过湍流前后部分相干平顶高斯光束的束宽平方比随阶数、传输距离和湍流强度的变化关系式;一是通过湍流后的相干长度随初始光束相干长度、湍流相干长度的变化关系式。研究发现:部分相干平顶高斯光束分解为相互独立的厄米-高斯光束的叠加;相干性越差的光束受到湍流的影响程度就越小;湍流对光束传输的影响与光束自身相干特性对其传输的影响之间是不相关的。     

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。     

上行链路大气波前畸变对剪切光束成像技术的影响

剪切光束成像（sheared-beam imaging,SBI）技术是一种利用三束剪切相干激光照明的非传统成像技术,该技术通过探测器阵列接收目标反射回波的散斑图进行计算成像,在对远距离暗弱目标高分辨率成像方面有着独特的优势.大气湍流引起的光束波前畸变是影响SBI成像质量的一个关键因素,因此本文从湍流引起的激光波前畸变对目标频谱信息提取的影响入手,建立了光束波前畸变对成像影响的理论模型.利用多层相位屏模型模拟了近地25 km大气对SBI光束传输的影响.通过计算机仿真,得到了不同激光发射孔径和不同成像距离时SBI的成像结果.仿真结果表明,选取合适的发射孔径尺寸可以有效缓解湍流对光束波前质量的影响,从而提升成像质量.在Hutchin的研究基础上,对孔径选择范围的已有研究成果进行了扩展与深化.给出了SBI系统发射孔径尺寸选取的建议,为SBI对不同高度目标成像的像质差异分析提供了参考.     

高斯-谢尔模光束在大气湍流中传输的相干特性研究

文章分析了高斯-谢尔光束在大气湍流中传输时相干长度的变化, 并与真空传输做比较, 真空传输相干长度的变化只与光源参数有关, 大气湍流中传输相干长度的变化受光源参数和湍流的共同影响. 真空传输光束扩展造成相干长度增大; 大气湍流中, 传输距离较短时, 相干长度由于光源扩展而增加, 当传输距离较大时, 湍流效应增强引起相干长度下降. 因此, 单纯从相干长度方面分析大气湍流带来的影响不够完备. 为排除光源扩展影响, 利用相干长度与光斑尺度的比值进行分析, 发现大气湍流会造成比值的下降. 在数值仿真的基础上对上述结果给出了解释. 关键词： 部分相干 大气湍流 高斯-谢尔模 光束扩展     

散斑相关在椭圆高斯光束发散角测量中的应用

激光束发散角的测量对于激光制导、激光测量有着重要的意义,激光束发散角是激光质量的一个重要参数。大发散角激光照明在大范围散斑干涉测量中也有着重要应用。基于散斑自相关的方法推导了椭圆高斯光束照明下的散斑二维尺寸与照明光束参数之间的关系,通过散斑自相关运算直接计算得出接收面上散斑二维尺寸从而测量出光束有效照明尺寸,根据不同距离的有效照明尺寸确定光束的发散角。采用激光散斑计量光束有效照明半径的方法有着大范围的光强适用性,无需考虑离轴误差影响。该方法结构简单,对环境光有一定的抑制作用。