大气湍流间歇性及其对光波传播的影响

当光波在大气中传播时，由于大气湍流的作用，其光束质量将会极大地恶化。对于这类问题的处理，长期以来都是以Tartaskii等人的理论为指导，而他们的理论是根据Kolmogrov于1941年建立的局地均匀各向同性湍流理论（K41）建立的，所以K41理论是这一领域奠基的基石。然而，随着湍流研究的深入，人们已经逐渐意识到K41湍流理论的各方面的缺点，其中尤其明显的是，K41理论忽略了湍流的间歇特征。在湍流现代理论中，湍流间歇性的研究一直是处于中心位置。经过数十年的不懈的努力，目前人们已经对湍流间歇性有了一些初步的成果和认识。本文综述了试图将湍流间歇性引入随机介质中光传播问题的考虑之中的各种尝试。我们首先结合光学问题的需要对湍流及其间歇性研究现状及重要成果进行了概要的回顾和说明。在此基础上，我们以两种方式对间歇性大气湍流中光传播问题进行分析：首先，我们以一种简单的非Gauss场模型为基础分析间歇性大气湍流中的光场统计性质；然后，我们将统计矩方程展开到四阶累积函数，分析了近Gauss场附近的光场统计性质。我们还以层次结构模型为基础对二阶统计矩进行了进一步的研究。     

大气湍流间歇性及其对光波传播的影响

当光波在大气中传播时,由于大气湍流的作用,其光束质量将会极大地恶化。对于这类问题的处理,长期以来都是以Tartask ii等人的理论为指导,而他们的理论是根据Kolmogrov于1941年建立的局地均匀各向同性湍流理论(K41)建立的,所以K41理论是这一领域奠基的基石。然而,随着湍流研究的深入,人们已经逐渐意识到K41湍流理论的各方面的缺点,其中尤其明显的是,K41理论忽略了湍流的间歇特征。在湍流现代理论中,湍流间歇性的研究一直是处于中心位置。经过数十年的不懈的努力,目前人们已经对湍流间歇性有了一些初步的成果和认识。本文综述了试图将湍流间歇性引入随机介质中光传播问题的考虑之中的各种尝试。我们首先结合光学问题的需要对湍流及其间歇性研究现状及重要成果进行了概要的回顾和说明。在此基础上,我们以两种方式对间歇性大气湍流中光传播问题进行分析:首先,我们以一种简单的非Gauss场模型为基础分析间歇性大气湍流中的光场统计性质;然后,我们将统计矩方程展开到四阶累积函数,分析了近Gauss场附近的光场统计性质。我们还以层次结构模型为基础对二阶统计矩进行了进一步的研究。     

一种简化非Gauss场模型在随机介质中光传播问题中的应用

为了研究大气湍流间歇性的光传播效应，构造出一种比较简单的非Gauss场模型(Poission场 )用于描述大气介电常数(或折射率)随机起伏.模型特征泛函含有四个待定函数，根据大气湍 流的统计均匀性，介电起伏的单点概率分布函数，以及介电起伏能谱可以选择或确定它们. 对在这种简化湍流中传播的光波平均场及二阶统计矩性质进行了理论分析，并给出数值模拟 的一个简单例子. 关键词： 光波传播 大气湍流 间歇性     

湍流路径积分参量与湍流大气中光的传播效应

根据光波在湍流大气中传播的理论分析了弱起伏条件下决定光波传播效应的折射率结构常数Ｃ＾２ｎ的各种路径积分参量之间的关系，导出了由光波的强度起伏所确定的等效折射率结构常数对计算大气相干长度与光波的到达角起伏，光束的扩展及漂移的相对偏差的表达式。针对折射率结构常数Ｃ＾２ｎ具有周期性，递减，递增和随     

近地层大气光学湍流的分形和间歇性特征分析

利用光纤湍流测量系统获得了合肥西郊科学岛上气象观测场内下垫面平坦的水面上方0.48m、草地上方1.8m和23m高处的大气折射率起伏的观测数据,采用R/S分析法计算了近地层大气光学湍流的赫斯特指数和分形维数,统计分析了分形维数的日变化特征及概率分布特征。结果表明:对于一天的不同时段,分形维数在一定范围内动态变化,且中午时段相对稳定;在三种下垫面条件下,全天分形维数的值大多在1.3~1.4之间,其最可几概率位于1.35处,从均值来看,草地上方1.8m的分形维数最大,水面上方0.48m次之,草地上方23m处最小。最后,初步探讨了近地层大气光学湍流分形维数、间歇性指数和湍流发展程度的相关性。     

大气湍流相干长度和Strehl比的统计特征

对大气湍流相干长度的统计特征进行了理论分析，给出了其概率分布密度函数，同时分析了光束大气传输湍流效应的远场斯特列尔（Ｓｔｒｅｈｌ）比的随机分布特征，得到了与实验非常一致的结果。     

大气湍流光PPM通信系统中LDPC码的置信传播译码

对大气弱湍流光PPM通信系统中LDPC码的BP 解码算法进行了研究,提出了相应系统模型下的解码算法.通过理论分析和大量计算机仿真,结果表明:采用LDPC的大气弱湍流光PPM通信系统比未编码的大气弱湍流光PPM通信系统的性能好,但是系统的BER性能随着PPM的时隙数的增加而增大.     

TAGSM光束在大气湍流中传输

基于广义惠更斯－菲涅耳原理,利用部分相干光复曲率张量研究了有扭曲的各向异性高斯－谢尔模型光束在湍流大气中的传输规律.根据有扭曲的各向导性高斯-谢尔模型光束在大气湍流中传播距离z处的部分相干复曲率张量给出了光束参量的表达式和详细的数值计算结果.结果表明：大气湍流减缓了光束扭曲参量随传播距离的衰减趋势,增大了主方向上的波前曲率的峰值,而且大气湍流退化了光束的相干性,使得光束扩展严重;光源扭曲参量大小和相干性也都会影响TAGSM光束在大气湍流中传输时各个光束参量的变化规律.     

液晶大气湍流模拟器

提出平行取向液晶器件作为大气湍流模拟器(ATS)的应用,研制出平行排列TFT型二维阵列液晶湍流模拟器(LC ATS)．基于Zernike多项式模拟大气湍流的理论,在Zygo干涉仪上,利用此湍流模拟器产生Zernike模式面形,能够很好的产生Zernike多项式的前2~8项模式面形．并且选取前231项Zernike模式,进行湍流的计算模拟与液晶湍流模拟器的实验模拟,计算模拟与实验模拟的湍流结果比较接近,说明此类型液晶湍流模拟器可以模拟大气湍流.     

Long-distance propagation of pseudo-partially coherent Gaussian Schell-model beams in atmospheric turbulence

Propagation properties of spatially pseudo-partially coherent Gaussian Schell-model beams through the atmo- spheric turbulence over a long-distance uplink path are studied by numerical simulation. A linear coordination trans-formation is introduced to overcome the window effect and the loss-of-resolution problem. The beam spreading, beam wandering, and intensity scintillation as functions of turbulence strength, source correlation length, and change frequency of random phase that models the partial coherence of the source are analyzed. It is found that the beam spreading and the intensity scintillation of the partially coherent beam are less affected by the turbulence than those of the coherent one, but it suffers from a more severe diffractive effect, and the change frequency of random phase has no evident influence on it. The beam wandering is insensitive to the variation of source correlation length, and decreases firstly then goes to a fixed value as the change frequency increases.     

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.     

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.     

Scintillation of partially coherent Gaussian–Schell model beam propagation in slant atmospheric turbulence considering inner- and outer-scale effects

Based on the modified Rytov theory and the international telecommunication union-radio （ITU-R） slant atmospheric structure constant model, the uniform scintillation index of partially coherent Gaussian-Schell model （GSM） beam propa- gation in the slant path is derived from weak- to strong-turbulence regions considering inner- and outer-scale effects. The effects of wavelength of beams and inner- and outer-scale of turbulence on scintillation are analyzed numerically. Compar- ison between the scintillation of GSM beams under the von Karman spectrum and that of beams under the modified Hill spectrum is made. The results obtained show that the scintillation index obtained under the von Karman spectrum is smaller than that under the modified Hill spectrum. This study can find theory bases for the experiments of the partially coherent GSM beam propagation through atmospheric turbulence.     

大气湍流中光束的高阶强度矩

研究了光束通过大气湍流传输的高阶强度矩, 提出了大气湍流中光束高阶强度矩的推导方法, 并推导出了一至四阶光束强度矩传输的解析表达式. 所得结果具有一般性,任意某一光束在自由空间和大气湍流中传输的高阶强度矩均可作为本文结果的特例. 另一方面, 以高斯光束为例, 研究了其K参数在湍流大气中的传输规律. 研究表明,高斯光束在大气湍流中其K参数并不是一个传输不变量,它与传输距离、束腰半径、湍流内外尺度以及湍流强度均有关.这个结论与采用Rytov相位结构函数二次近似或强湍流近似下的结论不同,本文给出了合理解释. 关键词： 高阶强度矩 大气传输 大气湍流 K参数')" href="#">K参数     

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。     

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。     

大气湍流对多色部分空间相干光传输特性的影响

基于部分相干光的传输定律，对多色部分空间相干光的长程大气传输做了研究.结果表明，无论是否满足定标律，大气湍流会引起多色部分空间相干光的光谱移动和光束扩展；多色部分空间相干光光束扩展比多色完全空间相干光受湍流的影响小.然而，带宽对光强分布的影响较小. 关键词： 多色部分空间相干光 大气湍流 光谱移动 光束扩展