大气湍流光学参数分析

利用两种不同大气湍流结构常数模型,讨论了不同高度的湍流对大气湍流光学参数的影响。通过理论计算得出:相干长度和对数振幅起伏方差主要由低层大气湍流决定,而等晕角、倾斜等晕角、格林伍德频率和泰勒频率由对流层顶附近的高层湍流决定。分析了垂直高度30 km以下的3部分大气湍流对等晕角的贡献比例,在给定的不同强度湍流下,对流层顶附近的高层大气湍流贡献比例都大于25％,而低层大气湍流的贡献比例都小于3%。     

大气湍流光学参数分析

利用两种不同大气湍流结构常数模型,讨论了不同高度的湍流对大气湍流光学参数的影响。通过理论计算得出：相干长度和对数振幅起伏方差主要由低层大气湍流决定,而等晕角、倾斜等晕角、格林伍德频率和泰勒频率由对流层顶附近的高层湍流决定。分析了垂直高度30 km以下的3部分大气湍流对等晕角的贡献比例,在给定的不同强度湍流下,对流层顶附近的高层大气湍流贡献比例都大于25％,而低层大气湍流的贡献比例都小于3%。     

自适应光学控制系统对Kolmogorov湍流补偿的修正有效带宽

基于时间功率谱反演生成的Kolmogorov湍流时间序列, 模拟分析了自适应光学控制系统跟踪回路与高阶误差校正回路在有限误差-3 dB带宽、 有时间延迟情况下的闭环校正残余误差, 得出了系统的跟踪残余方差、高阶残余方差与误差-3 dB带宽的数值拟合结果, 修正了系统有效带宽的表达式, 使其能更精确地估计校正残余方差. 关键词： Kolmogorov湍流 Tyler频率 Greenwood频率 有效带宽     

海洋湍流中光波特征参量和短期光束扩展的研究

Nikishov等建立的海洋湍流功率谱模型中,假设了海水有着稳定的分层.但是,实际海水通常不是稳定分层的,温度与盐度的涡流扩散率是不相等的.2017年,Elamassie等建立了考虑这些因素的更合理的海洋湍流功率谱模型.湍流介质中光波空间相干长度等基本特征参量在表征湍流强度和光传输相位校正技术等方面起着重要作用.本文基于Elamassie海洋湍流功率谱模型,重新推导出了海洋湍流中光波结构函数、光波空间相干长度和Fried参数的解析公式,并校验了所得公式的正确性.研究发现：当温度变化引起的光学湍流占主导地位时,Nikishov海洋湍流功率谱模型把湍流强度低估了;当盐度变化引起的光学湍流占主导地位时,Nikishov海洋湍流功率谱模型把湍流强度高估了.基于Elamassie海洋湍流功率谱模型,本文推导出了高斯光束短期光束扩展的半解析公式,并验证了其正确性.研究还表明：海水稳定分层与否,短期光束扩展差异很大.本文研究结果对水下湍流环境中的光通信、成像和传感等应用具有重要意义.     

大气湍流的分层结构及自适应光学共轭校正

近期观察表明，在很多情况下，大气湍流主要集中在几个薄层中。将这些薄层用相位屏近似，由它们所引起的波前畸变可用分层共轭自适应光学系统进行补偿，从而使等晕角大大增加。本文对理论结果和实际的限制因素进行了较详细的讨论。     

反射式鬼成像在海洋湍流中的成像分析

基于惠更斯-菲涅尔原理和鬼成像理论,研究了反射式无透镜鬼成像在Kolmogorov海洋湍流中目标成像问题,得到了成像脉冲响应函数和可见度理论表达式。结果表明随着目标随机反射角的增大,关联重构的图像质量将会失真退化.为进一步分析海洋湍流对目标图像质量的影响,数值模拟了不同探测距离、不同海洋湍流情况下鬼成像的可见度,得到了海洋湍流作用下的鬼成像目标探测规律.该研究对远距离自适应水下鬼成像大规模应用具有重要的理论指导意义.     

湍流外尺度对大气相干长度和等晕角的影响

根据实测的湍流结构常数的高度分布资料，分析了大孔径和小孔径两种情况下湍流外尺度Ｌ＿０对大气相干长度ｒ＿０和等晕角θ＿０的影响。计算结果表明，在Ｌ＿０为有限值情况下，ｒ＿０和θ＿０明显地增大了，对于大孔径望远镜，在红外波段，如波长为２．２μｍ，ｒ＿０和θ＿０更大，θ＿０甚至可达０．５ｍｒａｄ。     

大气闪烁对自适应光学校正的影响

激光在大气湍流中长距离近水平传输时,闪烁加强,限制了常规自适应光学的校正能力。数值研究了大气闪烁对自适应光学校正的影响,拟合得到了在Fresnel数一定时,Strehl比与Rytov方差的表达式,以及Rytov方差一定时,Strehl比与Fresnel数的表达式。结果表明,在Rytov方差较小时,纯相位校正Ｓtrehl比只与Rytov方差有关;随着Rytov方差的增加,Strehl比不仅与Rytov方差有关,还与Fresnel数有关,Fresnel数越大,校正Strehl比越大;大发射和接收孔径有利于提高校正Strehl比;在一定的Rytov方差下,Stregl比随Fresnel数增大而增加,逐步趋于饱和,达到纯相位校正的极限。     

自适应光学中的非等晕性

本文讨论了自适应光学中非等晕域对补偿效果的影响,提出了一种减小非等晕性误差的新方法—位相梯度法。分析结果表明,该方法可显著增大有效校正的角范围,使非等晕性误差的影响大大减小。我们预期位相梯度法有望解决自适应光学中信标的非等晕性问题。     

大气闪烁对自适应光学校正的影响

 激光在大气湍流中长距离近水平传输时，闪烁加强，限制了常规自适应光学的校正能力。数值研究了大气闪烁对自适应光学校正的影响，拟合得到了在Fresnel数一定时，Strehl比与Rytov方差的表达式，以及Rytov方差一定时，Strehl比与Fresnel数的表达式。结果表明，在Rytov方差较小时，纯相位校正Ｓtrehl比只与Rytov方差有关；随着Rytov方差的增加，Strehl比不仅与Rytov方差有关，还与Fresnel数有关，Fresnel数越大，校正Strehl比越大；大发射和接收孔径有利于提高校正Strehl比；在一定的Rytov方差下，Stregl比随Fresnel数增大而增加，逐步趋于饱和，达到纯相位校正的极限。     

自适应光学实时大气湍流补偿实验

本文报道了用自适应光学系统实时探测和校正距地面约15m高的340m水平传输通道上的大气湍流效应的实验.实验结果表明,用自适应光学校正后,对点目标和一定扩展度的扩展目标都可提高成像质量.     

随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中的传输特性

利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式得到了随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中传输的交叉谱密度矩阵的一般表达式,通过数值计算主要研究了随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中传输时其在远场输出面的统计特性的变化,包括归一化光谱强度、光谱偏振度、两点的光谱相干度等.数值模拟结果显示海洋湍流能够对随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束的归一化光谱强度分布产生影响,随着传输距离的增加,零阶Bessel-Gaussian光束中心出现凹陷,高阶Bessel-Gaussian光束中心会变平坦继而又凹陷下去,不管零阶还是高阶,当传输距离增加到足够远,光强分布都会演变成最终的类高斯分布.x轴上各点的偏振度改变与相干长度δ_(xx),δ_(yy)以及海洋湍流参数有关.x轴上任意一点和原点这两点的光谱相干度也随x的增加而呈振荡变化,并且海洋的均方温度耗散率χT对光谱相干度有影响.     

用常规气象参数估算光学湍流廓线方法的比较

采用美国SPARC数据中心提供的高分辨率无线电探空数据,运用Tatarski公式,对由外尺度或湍流能量耗散率结合常规气象参数估算的折射率结构常数结果进行了比较,间接证明了Sterenborg将外尺度选取1 m时的合理性。并比较了Coulman和Dewan两个外尺度经验公式估算的折射率结构常数。对比分析表明：利用外尺度或湍流能量耗散,结合常规气象参数,都能够估算出折射率结构常数。因湍流能量耗散率观测十分困难,该方法的合理性和代表性需待实验检验。Coulman的外尺度公式只是简单的经验公式,其普适性也需实验检验。而Dewan的外尺度公式中含有实测风速参数,由对流层和平流层不同区域的外尺度公式估算的折射率结构常数相对合理。     

用常规气象参数估算光学湍流廓线方法的比较

 采用美国SPARC数据中心提供的高分辨率无线电探空数据,运用Tatarski公式,对由外尺度或湍流能量耗散率结合常规气象参数估算的折射率结构常数结果进行了比较,间接证明了Sterenborg将外尺度选取1 m时的合理性。并比较了Coulman和Dewan两个外尺度经验公式估算的折射率结构常数。对比分析表明：利用外尺度或湍流能量耗散,结合常规气象参数,都能够估算出折射率结构常数。因湍流能量耗散率观测十分困难,该方法的合理性和代表性需待实验检验。Coulman的外尺度公式只是简单的经验公式,其普适性也需实验检验。而Dewan的外尺度公式中含有实测风速参数,由对流层和平流层不同区域的外尺度公式估算的折射率结构常数相对合理。     

汉克-贝塞尔光束在海洋湍流信道中的螺旋相位谱分析

携带轨道角动量的汉克-贝塞尔(Hankel-Bessel,HB)光束具有无衍射和自聚焦特性,用来作为信息传输的载体有望增大信息传输容量.基于Rytov近似理论,推导得到了HB涡旋光束经过海洋水平弱湍流信道后的螺旋相位谱的解析表达式,并利用数值仿真方法研究了海洋湍流参数对轨道角动量模式探测概率的影响.结果表明,海洋湍流导致发射轨道角动量模式的探测概率下降,出现模式串扰和螺旋相位谱扩展.海洋湍流对HB涡旋光束的负面影响随着轨道角动量模式数、传输距离、温度方差耗散率的增加而增强,随湍流动能耗散率的增加而减弱.HB涡旋光束受以盐度波动驱动的海洋湍流的负面影响更大.另外,在弱湍流及几十米传输距离条件下,HB涡旋光束的传输性能要差于最佳束腰大小设置的拉盖尔-高斯涡旋光束.这些结果有望为海洋环境水下光通信链路的实现提供一定的参考价值.     

部分相干环状偏心光束通过海洋湍流的传输特性

推导出了部分相干环状偏心光束在海洋湍流中传输的平均光强和光束质心位置的解析表达式, 并给出了最大光强位置满足的传输方程. 研究发现: 经足够长距离传输后, 在自由空间中最大光强位置比光束质心更靠近传输z轴, 并且其位置随着光束相干参数的增大而靠近传输z 轴, 随着光束偏心参数和遮拦比的增大而远离传输z轴. 但是, 在海洋湍流中最大光强位置趋于质心位置, 并且海洋湍流的增强会加速最大光强位置趋于质心位置的进程. 在海洋湍流中光束的相干性对光束传输特性的影响明显减小. 另一方面, 光束质心位置与光束的相干性、光束传输距离以及海洋湍流均无关系, 并且光束质心位置随着光束偏心参数和遮拦比的增大而远离传输z 轴. 所得结果对工作于水下湍流环境中的部分相干环状偏心光束的应用具有重要意义.