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。     

湍流大气中无衍射涡旋光束的展宽及相位奇点的演化

以经过圆形孔径截断的Bessel涡旋光束和Bessel-Gauss涡旋光束为例,数值模拟了近似无衍射涡旋光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展和畸变光场中相位奇点的变化。仿真结果表明,与Bessel涡旋光束相比,Bessel-Gauss涡旋光束由大气湍流引起的束宽扩展较小,且在一定条件下其相位奇点代数和与入射涡旋光束的拓扑荷数保持一致;在远距离传输时,Bessel-Gauss涡旋光束相位奇点代数和的起伏偏差远小于Bessel涡旋光束。Bessel-Gauss涡旋光束在自由空间光通信中作为信息载体具有较大的优势。     

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     

完美涡旋光束在大气湍流传输中的螺旋相位谱分析

基于Rytov近似,理论推导了完美涡旋光束（PVB）经过大气湍流水平信道后的螺旋相位谱解析表达式,研究了大气湍流中光束波长、半环宽、发射处轨道角动量（OAM）模态、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数对OAM模态探测概率和串扰概率的影响。结果表明：随着发射处OAM模态、传输距离、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数的增加,经大气湍流传输后的探测概率下降;随着光束波长的增加,经大气湍流传输后的探测概率增加。此外,PVB在近场的探测概率几乎不随发射处OAM模态变化,而当光束传输到远场时,探测概率随发射处OAM模态变化明显,这是因为PVB传输到远场变成类贝塞尔光束,其光束半径随发射处OAM模态变化明显。     

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。     

大气湍流中部分相干光束上行和下行传输偏振特性的比较

以部分相干的电磁高斯-谢尔模型(electromagnetic Gaussian-Schell model, EGSM) 光束为研究对象, 根据相干和偏振的统一理论以及随机光束的Stokes参量, 推导出EGSM光束在大气湍流中斜程传输时的偏振度(degree of polarization, DoP)和偏振方向角的表达式, 研究了大气湍流中上行和下行传输时EGSM光束偏振特性的不同. 研究结果表明: 在相同条件下, EGSM 光束下行传输时整个光场DoP的分布比上行传输要集中; 下行传输时轴上点的DoP达到最大值所对应的传输距离长于上行传输. 可以看出, EGSM光束沿下行路径传输时, 探测器可以接收更远距离处的波束传输信息.     

激光大气传输相位不连续点的时空演化特征的数值计算

利用激光大气传输4维程序对激光大气传输相位不连续点的时空演化特征进行了数值计算。仿真计算了相位不连续点随光波传输的产生和湮灭过程,以及某一固定传输位置处,畸变光场内的相位不连续点随时间的变化情况。计算结果表明,相位不连续点是随着波前运动的,并且可以成对地产生或湮灭;当传输路径中的某一位置固定时,垂直于传播方向的畸变光场内的相位不连续点所在的位置随时间的变化是不确定的,但在传输条件一定的情况下,该位置处的相位不连续点数目的统计平均值是可以确定的。     

激光大气传输相位不连续点的时空演化特征的数值计算

 利用激光大气传输4维程序对激光大气传输相位不连续点的时空演化特征进行了数值计算。仿真计算了相位不连续点随光波传输的产生和湮灭过程,以及某一固定传输位置处,畸变光场内的相位不连续点随时间的变化情况。计算结果表明,相位不连续点是随着波前运动的,并且可以成对地产生或湮灭;当传输路径中的某一位置固定时,垂直于传播方向的畸变光场内的相位不连续点所在的位置随时间的变化是不确定的,但在传输条件一定的情况下,该位置处的相位不连续点数目的统计平均值是可以确定的。     

超连续谱激光在湍流大气中传输特性的数值仿真研究

采用多层相位屏的数值仿真方法,综合考虑大气衰减效应和湍流效应,研究了不同湍流强度和不同源相干度条件下超连续谱激光的光束扩展、光斑漂移以及闪烁特性,并对比分析了超连续谱激光传输与单色激光传输特性的差异.结果表明:湍流越强或源相干度越好,超连续谱激光的相对光束扩展越严重;湍流愈强,光斑漂移愈严重,但不同源相干度的超连续谱激光的质心漂移方差几乎相等;降低超连续谱激光的源相干度可以在一定程度上减弱光强起伏的闪烁效应,并降低闪烁指数对离轴距离的依赖性;与单色激光相比,湍流对超连续谱激光的光束扩展以及闪烁效应影响较弱,而质心漂移效应两者差异不明显.单色激光大气传输的数值仿真结果与理论解析结果基本吻合,在一定程度上说明了数值仿真过程的可靠性.该研究不仅提出了一种获得超连续谱激光大气传输特性规律的有效仿真手段,而且为超连续谱激光传输的工程应用提供参考.     

基于随机数据元扩张的大气湍流相位屏数值模拟

准确模拟大气湍流相位屏是建立大气湍流数值模型的核心问题。从大气湍流的统计学特性入手,利用大气湍流波前相位结构函数建立了一种新的大气湍流相位屏数值模拟方法,通过随机数据元扩张对大气湍流波前畸变相位分布的尺度随机性和高频分量随机性进行了模拟,并以此为基础通过相位屏近似构建了满足Kolmogorov统计规律的大气湍流数值模型。计算结果表明,随机数据元扩张法生成的相位屏在统计特性上与理论值基本吻合,在低频部分相对于功率谱反演法有明显的提升。同时,随着相位屏网格数的增加,计算结果的高频特性逐渐呈现并逼近理论值。对于由相位屏构建的大气湍流数值模型,在此通过光强闪烁率作为判据进行了验证,结果表明对于弱湍流和中等强度的湍流,模拟结果与理论计算基本相同;对于强湍流则误差较为明显,相对误差最大可达40%。     

部分相干光在大气湍流中传输的闪烁指数

实验测量了不同空间相干度的部分相干光在实际大气湍流中传输的闪烁指数。结果表明:随着入射光空间相干度的降低,闪烁随光传输距离增长而增加的趋势变得缓慢,甚至出现减小的情况。此外,与完全相干光的闪烁指数随着径向距离的增加而增加不同,部分相干光的闪烁指数沿着光斑径向距离的增加不一定增加,而有可能出现降低。相干度越低,该效应越明显。     

部分相干光在大气湍流中传输的闪烁指数

实验测量了不同空间相干度的部分相干光在实际大气湍流中传输的闪烁指数。结果表明：随着入射光空间相干度的降低,闪烁随光传输距离增长而增加的趋势变得缓慢,甚至出现减小的情况。此外,与完全相干光的闪烁指数随着径向距离的增加而增加不同,部分相干光的闪烁指数沿着光斑径向距离的增加不一定增加,而有可能出现降低。相干度越低,该效应越明显。     

部分相干涡旋光束通过大气湍流上行和下行传输的比较研究

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,以高斯-谢尔模型(GSM)涡旋光束作为典型的部分相干涡旋光束,推导出GSM涡旋光束通过大气湍流斜程传输的平均光强、均方根束宽和交叉谱密度函数的解析表达式,并用以研究了大气湍流中上行和下行对GSM涡旋光束传输和对相干涡旋的影响.结果表明,在相同条件下,GSM涡旋光束下行传输受大气湍流的影响要小于上行传输,下行传输时相干涡旋拓扑电荷守恒距离要长于上行传输.对所得结果做了物理解释. 关键词： 部分相干涡旋光束 相干涡旋 大气湍流 上行和下行传输     

Characteristics of a partially coherent Gaussian Schell-model beam propagating in slanted atmospheric turbulence

On the basis of the extended Huygens-Fresnel principle and the model of the refractive-index structure constant in the atmospheric turbulence proposed by the International Telecommunication Union-Radio Communication Sector,the characteristics of the partially coherent Gaussian Schell-model(GSM) beams propagating in slanted atmospheric turbulence are studied.Using the cross-spectral density function(CSDF),we derive the expressions for the effective beam radius,the spreading angle,and the average intensity.The variance of the angle-of-arrival fluctuation and the wander effect of the GSM beam in the turbulence are calculated numerically.The influences of the coherence degree,the propagation distance,the propagation height,and the waist radius on the propagation characteristics of the partially coherent beams are discussed and compared with those of the fully coherent Gaussian beams.     

Irradiance scintillation considering finite turbulence inner scale for optical wave propagating through weak non-Kolmogorov turbulence

The turbulence inner scale plays an important role in investigating the irradiance scintillation index for optical wave propagating through atmospheric turbulence. However, previous expressions of the irradiance scintillation index, which were derived based on the general non-Kolmogorov spectral model, did not consider the influences of finite turbulence inner scale. In this study, based on the generalized exponential spectral model for non-Kolmogorov atmospheric turbulence, theoretical expressions of the irradiance scintillation index are derived for plane and spherical optical waves propagating through weak turbulence. The new expressions have considered the influences of the finite turbulence inner scale and the receiver aperture on the irradiance scintillation index. Numerical simulations are performed to analyze these parameters’ influences.     

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。     

强激光大气传输的远场光束亮度仿真研究

为了分析组束激光的战术应用前景,对强激光大气传输的远场光束亮度进行了理论分析和数值模拟。结果表明:10kW量级的强激光有效作用距离不超过10km,需要对发射系统孔径和光束质量进行严格的控制;激光器承载平台的抖动幅度是影响远场光束功率密度的主要因素,在抖动幅度很小或者可以忽略的条件下,湍流和热晕对远场光束起着近乎相同的作用。     

Partially coherent Gaussian–Schell model pulse beam propagation in slant atmospheric turbulence

Based on the extended Huygens-Fresnel principle, a two-frequency, two-point cross-spectral density function of partially coherent Gaussian-Schell model pulse （GSMP） beam propagation in slant atmospheric turbulence is derived. Using the Markov approximation method and on the assumption that （w1 - w2）/（w1 ＋ w2） ≤ 1, the theory obtained is valid for turbulence of any strength and can be applied to narrow-band signals. The expressions for average beam intensity, the beam size, and the two-frequency complex degree of coherence of a GSMP beam are obtained. The numerical results are presented, and the effects of the frequency, initial pulse width, initial beam radius, zenith angle, and outer scales on the complex degree of coherence are discussed. This study provides a better understanding of the second-order statistics of a GSMP beam propagating through atmospheric turbulence in the space-frequency domain.