组合阵列相干声源激发局部大气不均匀体分布特性研究

声波作为具有能量的机械波,在传播过程中与大气相互作用,扰动大气湍流的时空分布特性。本文基于声波的波动方程和叠加原理,结合大气折射率与大气物理参数的关系式,通过理论建模和仿真模拟,数值分析了基于单个点阵列相干声源的五种不同类型组合阵列相干声源模型激发的人工折射率不均匀体分布情况。结果表明：组合阵列声源在局部空间平面上激发的不均匀体分布特征受阵列声源的数量和分布位置共同影响,组合阵列模型内部声源个数越多,激发出的人工不均匀体的数量级以及起伏更大,同时声波之间的干涉条纹也更加的明显。本文为生成或抑制湍流效应提供了新思路,数值计算结果可为光工程选择合适的声源模型提供依据。     

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.     

大气湍流尺度对部分相干光传输特性的影响

本文在考虑湍流内外尺度的情况下,对部分相干高斯谢尔模型光束在大气湍流中的传输特性进行了研究.主要采用考虑湍流内外尺度的修正Von Karmon谱模型,推导了部分相干光在大气湍流中的平均光强分布、光束扩展均方根束宽和漂移方差的解析式.对比分析了不同湍流强度情况下,湍流内外尺度对部分相干光在大气湍流中水平和斜程路径上传输特性的影响.结果表明:相同条件下,光束在大气湍流中传输时,沿斜程传输时的抗湍流能力强于水平传输;相比于大气湍流内尺度,大气湍流外尺度对光束漂移影响较大,外尺度对光束扩展与光强分布的影响较小,当湍流外尺度增大时,漂移现象会越来越严重;相比于大气湍流外尺度,湍流内尺度对光束扩展与光强分布的影响较大,当内尺度减小时,光束扩展现象越来越严重,光强分布也更分散,内尺度对漂移几乎无影响.     

湍流大气中斜程传输光场的相位特性

运用功率谱反演法对斜程传输大气湍流扰动相位屏进行了数值模拟。通过建立激光束初始畸变相位模型,从波前峰谷值和波前功率谱密度函数两个方面,对激光束通过大气湍流后的相位特性进行了研究,重点分析了湍流传输距离和天顶角对激光束波前相位分布的影响。研究结果表明:激光束在湍流大气斜程传输后,其波前相位会发生明显畸变,且空间高频相位较低频相位所占比例明显增加;通过湍流后的波前相位与传输距离及天顶角密切相关,传输距离越长,天顶角越大,相位畸变程度越大,高频相位所占比例越多。     

内尺度对光强闪烁激光雷达测量结果的影响

利用Kolmogorov谱、修正Hill谱和Rytov改进模型三种大气湍流功率谱模型,得到了光强闪烁激光雷达探测路径上闪烁指数与大气折射率结构常数之间的关系。分析了不同内尺度下大气湍流强度的变化情况,并与不考虑内尺度的情况进行了比较。结合实验数据对比分析了内尺度对光强闪烁激光雷达在探测大气湍流时的影响程度,结果表明在内尺度的取值变化范围内,采用修正Hill谱时,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达9,实验中传输距离为1020 m和2040 m的传输路径上两者最大偏差为0.4和0.1个量级;Rytov改进模型下,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达6,实验中同样传输路径上两者最大偏差为0.6和0.3个量级。理论和实验结果表明:有限内尺度的折射率结构常数测量结果在一定程度上偏离不考虑内尺度的折射率结构常数,且影响程度与激光传输距离和内尺度的大小有关。因此,在光强闪烁激光雷达的大气湍流探测过程中,必须考虑内尺度效应。     

部分相干光在大气湍流中的到达角起伏

研究了部分相干高斯谢尔光束在大气湍流中的到达角起伏.主要采用湍流内外尺度的修正Von Karmon谱模型及广义惠更斯-菲涅尔原理和交叉谱密度函数推导出了部分相干光在大气湍流中的到达角起伏表达式.对比分析了湍流内外尺度、湍流强度、传输距离、源相干参数以及波长等参数对部分相干光在大气湍流水平路径上传输时的到达角起伏的影响.结果表明:随着传输距离的增加,到达角起伏越来越小;随着大气湍流内外尺度和源相干参数的增加,到达角起伏也越来越大;与部分相干光相比,完全相干光的到达角起伏受湍流影响很小;随着波长和湍流强度的减小,到达角起伏越来越小.     

利用平面声场对非均匀大气介质光波传输相位的调控

本文基于声光效应和Gladstone–Dale关系,推导了在平面声场扰动下,各向同性均匀大气介质和非均匀大气介质的折射率随声压变化关系式,建立了平面光波和拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian, LG)光束通过经平面声波扰动的均匀大气和非均匀大气介质的传输模型.结果表明,经平面声场扰动后,均匀大气介质折射率分布呈层均匀的周期性分布.对于大气压强纵向变化的大尺度角度,平面声场对非均匀大气折射率的分布情况影响不明显;而对于小尺度角度,非均匀大气折射率会随高度的增加逐渐减小,并且随声压的影响而产生波动.平面声波扰动均匀大气介质时,会使平面光波的等相位面因声波的影响产生明显波动; LG光束相位会发生旋转,且总会回到初始相位.平面声波扰动非均匀大气介质时,会使平面光波的相位变化会随着声波的变化规律产生周期性的变化,光程整体为倾斜的平面,但由于声波的扰动,光程会产生波动; LG光束的相位仍会发生旋转,但与均匀介质不同的是,由于其折射率随高度的变化,其相位不会回到初始相位.     

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。     

大气湍流外尺度对倾斜跟踪系统跟踪精度的影响

从G倾斜功率谱和倾斜跟踪残余误差两个方面分析了大气湍流外尺度对倾斜跟踪系统跟踪精度的影响。详细推导了G倾斜功率谱以及倾斜跟踪残差与大气湍流外尺度的函数关系式。数值计算结果表明大气湍流外尺度对G倾斜功率谱以及倾斜跟踪残余误差的低频段影响较大,而对高频段的影响可以忽略不计。     

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     

斜程大气湍流中激光回波的闪烁指数

根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU-R大气折射率结构常数模型,考虑内尺度及从发射机到目标和从目标到接收机双斜程路径影响的条件下,应用修正Hill湍流折射率起伏功率谱,对反射器目标激光回波闪烁指数进行了研究。推导了回波闪烁指数随菲涅耳率的变化关系,数值分析了不同内尺度、传输距离、激光波长以及目标高度对回波闪烁指数的影响。结果表明:内尺度和目标高度对回波闪烁指数的影响要远大于波长和传输距离的影响。     

非Kolmogorov大气湍流对部分相干厄米高斯光束传输因子的影响

基于非Kolmogorov谱模型,利用广义惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩定义,推导出部分相干厄米高斯(H-G)光束在非Kolmogonov大气湍流中传输因子的解析表达式,并用以研究了非Kolmogorov大气湍流对部分相干H-G光束传输因子的影响。结果表明,部分相干H-G光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时,传输距离、湍流外尺度、广义结构常量和空间相关长度越小,湍流内尺度和光束阶数越大,光束传输受非Kolmogorov大气湍流影响越小,光束质量越好。当广义指数取3.11时,部分相干H-G光束在传输过程中表现的光束质量最差。     

部分相干双曲余弦厄米高斯光束在非Kolmogorov大气湍流中的传输特性

基于广义Huygens-Fresnel原理和非Kolmogorov大气湍流折射率起伏谱密度函数, 采用Wigner分布函数的二阶矩方法, 推导出了在大气湍流中传输的部分相干双曲余弦厄米高斯光束束宽和M²因子的解析表达式. 研究表明: 相对束宽和归一化M²因子随传输距离的增大而增大; 光束阶数越大、相干长度越小、双曲余弦参数越小, 相对束宽和归一化M²因子受大气湍流影响越小; 相对束宽随束腰宽度的增大存在极大值, 在一定的相干长度范围内, 归一化M²因子随束腰宽度的增大存在极小值; 相对束宽和归一化M²因子随广义指数的变化均存在极大值, 随内尺度的增大而逐渐减小, 随外尺度的增大几乎没有变化.     

部分相干贝塞尔高斯光束在非柯尔莫哥诺夫湍流中的传输特性

根据广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出了部分相干贝塞尔高斯光束在非柯尔莫哥诺夫湍流中传输时平均光强和偏振度的解析表达式,研究了部分相干贝塞尔-高斯光束在非柯尔莫哥诺夫湍流模型下的光强分布特征和偏振度变化规律,同时分析了指数项、折射率结构常量、湍流内外尺度以及拓扑荷、光源相干性等对光束传输性质的影响.数值计算表明,随着传输距离的增加,部分相干贝塞尔高斯光束的光强会从空心分布逐渐演变为高斯分布,同时光束会有一定程度的展宽.而且,当指数项值越接近于3.1,折射率结构常量越大,外尺度越大或者内尺度越小时,光强分布的演变越为迅速,展宽现象也越明显;当拓扑荷越小或者相干长度越小时,光强分布的演变越迅速,但是二者对展宽现象的影响并不明显.另外,偏振度在近距离处会经历一段振荡及升降变化过程,当距离足够远时会趋于一个稳定值,且该值等于光源平面上的初始偏振度.偏振度变化的快慢程度受指数项、折射率结构常量、湍流内外尺度、拓扑荷和相干长度等因素的影响.     

大气湍流对轨道角动量态复用系统通信性能的影响

通过数值仿真,以多个相位屏模拟大气湍流,研究大气湍流对轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)态复用通信系统质量的影响.改变大气湍流折射率结构常量C2n和传输距离z,分析其对OAM态复用系统归一化接收功率、误码率等的作用.研究结果表明当大气湍流强度增加和传输距离增长时,复用系统归一化接收功率下降、误码率增加.当C2n增大到5×10-13 m-2/3时,系统归一化接收功率下降到0.2以下,误码率增大到0.3以上;当传输距离增大到10 000m,系统归一化接收功率下降到0.3以下,误码率增大到0.35以上.同时,对比不同方位角指数l取值的两个OAM态复用系统受大气湍流的影响,发现:l取值越接近的系统,受大气湍流影响越大.在等同光学信噪比下大气湍流导致OAM态复用系统误码率性能降低2至3个数量级.该研究对OAM态复用系统的实用化具有积极的参考作用.     

大气湍流信道中聚焦涡旋光束轨道角动量串扰特性

携带轨道角动量的涡旋光束作为传输信息的载体能有效提高信息传输效率,然而在传输过程中受大气湍流影响轨道角动量会发生串扰.基于螺旋谱分析理论,推导得到了聚焦拉盖尔高斯光束在各向异性大气湍流中传输时的螺旋谱解析表达式,并对比分析不同湍流和光束参数对聚焦与非聚焦拉盖尔高斯光束接收功率的影响,最后利用多相位屏法进行模拟验证.结果表明:随着传输距离、湍流强度、拓扑荷数的增大以及湍流内尺度、光束波长的减小,接收功率减小,轨道角动量串扰增大;接收孔径到达一定值时对轨道角动量串扰的影响非常小;聚焦光束比非聚焦光束的轨道角动量串扰要小.这些结果将对提高自由空间光通信的质量有一定意义.     

球差光束在大气湍流中传输特性的实验研究

采用空间光调制器产生球差光束,并利用旋转随机相位板模拟大气湍流,实验上研究了球差光束在大气湍流中的传输特性.研究表明:在自由空间传输时,正、负球差光束光强分布均为环形多层分布,但经过大气湍流传输后光强均会变为类高斯分布.正球差导致光束扩展,负球差会导致光束聚焦.正球差越大光束能量集中度越差.负球差对光束能量集中度的影响是非单调的.特别地,大气湍流会削弱球差效应对光束扩展的影响.     

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}}     

湍流大气成像系统分辨率的研究

采用基于Kolmogorov 1941串级湍流模型建立的调制湍流折射率谱模型、简单透镜成像系统传递函数的高斯函数近似和平方近似,从理论上分析了大气成像系统的光学传递函数,研究了有限湍流尺度(湍流内、外尺度)对湍流大气中成像系统光学分辨率的影响。给出了成像系统长曝光光学传递函数和积分分辨率的近似解析关系。结果表明在采用大孔径成像系统成像时,应该考虑湍流尺度对大气系统成像的作用。     

旋涡声散射的空间尺度特性数值研究

旋涡对声波的散射问题是声波在复杂流场中传播的基本问题,在声源定位、声目标识别及探测、远场噪声预测等方面具有重要的学术研究价值和工程应用价值,如飞行器的尾涡识别、探测及测距,湍流剪切流中声目标预测,声学风洞试验中声学测量和声源定位等.声波穿过旋涡时会产生非线性散射现象,其物理机理主要与声波波长和旋涡半径的长度尺度比相关.本文采用高阶精度高分辨率线性紧致格式,通过求解二维非定常Euler方程,数值模拟了平面声波穿过静止等熵涡的物理问题.通过引入声散射截面法,分析了不同声波波长与旋涡半径的长度尺度比对声波脉动压强、声散射有效声压以及声散射能量的影响规律.研究表明:随着声波波长与旋涡半径的长度尺度比逐渐增加,旋涡流场对声场的影响逐渐减弱,声散射有效声压影响区域先逐渐增大随后逐渐减小,声散射能量最大值呈现4种不同的变化阶段.