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。     

强湍流区的光束漂移

 基于修正Rytov理论，导出了适应于强湍流起伏区的光束漂移方差表达式，分析了湍流外尺度、有效散射区域尺度和光束束腰对光束漂移的影响，并与实验结果进行了比较。结果表明，相对于基于指数模型的光束漂移方差表达式，基于修正Rytov理论给出的表达式的计算结果能更好地与实验结果吻合。当光束束腰大于有效散射区域尺度时，不发生饱和效应，导出的表达式与传统理论给出的表达式一致；当光束束腰小于有效散射区域尺度时，光束漂移的幅度不随Rytov方差的增大而明显变化。     

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.     

湍流折射率谱型对大气闪烁和相位起伏功率谱的影响

基于Taylor湍流冻结假设理论,在不同湍流折射率谱型条件下,推导得出了光波闪烁和相位起伏频谱的表达式;数值计算了湍流谱型中折射率标度指数、内尺度以及外尺度变化时对光波频谱的影响。结果表明:随着折射率起伏标度指数的增大,闪烁频谱的低频段不再仅为常数,高频段下降的幂率逐渐增大,同时相位频谱在整个起伏频率段下降的幂率越来越大;湍流内尺度的增加将引起光波频谱的高频段下降的幂率越来越大;而随外尺度的减小,闪烁频谱低频段的振幅减小,这种影响在大口径接收时较为明显,相位谱的低频段幂率减小。     

厄米-高斯光束在非Kolmogorov大气湍流中的传输性质

基于广义惠更斯-菲涅尔原理和非Kolmogorov(非K)谱,推导出了厄米-高斯光束在非K大气湍流中传输的束宽、角扩展以及M2因子的解析表达式.数值计算表明,在传输距离比较远(如z≥3km)时,厄米-高斯光束的束宽、角扩展和M2因子随广义指数参量α的增大而增加直到α=3.11时达到最大值后再随α的增大而减小;随湍流的内尺度l0的减小而增大;随外尺度L0的增加而增大(3.6α4).但是当广义指数参量α在3α3.6区间取值时,束宽和M2因子几乎不随外尺度的增加而变化.     

湍流大气中的准直激光束III.分形结构与相位不连续点饶瑞中

 利用数值方法研究了不同起伏条件下准直激光束在湍流大气中的传播，分析了光斑的分形维数以及相位不连续点数目的统计特征。结果表明：随着起伏条件的增大，光斑的分形维数以及相位不连续点数目增大；光斑的分形维数与锐度（描述光斑质量的参量）有一定的关系，但相位不连续点数目与光斑质量不存在确定的关系。在本文的计算条件下，分形维数一直随起伏条件的增大而增大，没有出现类似于闪烁饱和的现象。在一定的起伏条件下，相位不连续点数目具有一定的统计分布，而不是一个确定的值，并且具有相当的发散性。     

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     

湍流大气中激光传输光强起伏特征研究

通过实验观测了湍流大气中光束准直传输时光束横截面上不同面积内的光强起伏特征。采用相对光强起伏方差与孔径平滑因子描述不同面积内的光强起伏特征并比较了不同湍流条件和不同面积内相对光强起伏方差的概率分布密度。实验结果表明,在该实验条件下明显出现孔径平滑效应时对应接收面积呈现湍流越强接收面积越小的规律;不同接收面积内相对光强起伏方差概率分布密度可以用对数高斯分布近似,不同接收面积和湍流强度下近似程度不同;采用偏斜度和陡峭度来描述接收面积不同和湍流强度不同时概率分布密度与对数高斯分布的偏差并比较了拟合曲线特征的变化。同时初步比较了连续光与脉冲光相对光强起伏方差概率分布的异同。     

弱湍流大气激光通信中的光强闪烁研究

大气激光通信中，湍流引起的光强闪烁严重影响通信系统的性能指标（误码率）。通过对湍流条件下光强分布的数值仿真，得出弱湍流时接收光强服从对数正态分布，与Rytov理论一致。用随机过程分析的方法给出了系统误码率与光强闪烁的关系，并进行MATLAB数值模拟。研究表明误码率随对数振幅方差（湍流强度）的增加而上升，且当对数振幅方差在0～0．02时，误码率随对数振幅方差的变化较快，近似呈线性递增。在工程中，可采用自适应光学或多发射机等技术抑制湍流对大气激光通信的影响。     

有限外尺度对大气湍流统计特征测量的影响

有限外尺度影响下的相位结构函数和孔径平均的斜率相关函数的表达式,结果表明有限的大气外尺度对大气流流统计特征的测量有很大的影响,尤其对大尺寸的望远镜和子孔径更是如此。基于科尔莫戈罗夫模型的大气相位结构函数和相干长度仅仅是本文推导结果的近似。对结果的分析表明,测量得到的对大气湍流科尔莫戈罗夫模型的偏离有可能是大气外尺度的影响,而不完全是真正的偏离。     

Scintillation index of optical wave propagating in turbulent atmosphere

A concise expression of the scintillation index is proposed for a plane optical wave and a spherical optical wave both propagating in a turbulent atmosphere with a zero inner scale and a finite inner scale under an arbitrary fluctuation condition. The expression is based on both the results in the Rytov approximation under a weak fluctuation condition and the numerical results in a strong fluctuation regime. The maximum value of the scintillation index and its corresponding Rytov index are evaluated. These quantities are affected by the ratio of the turbulence inner scale to the Fresnel size.     

光束在强湍流区中传播的到达角起伏

 基于修正Rytov理论，导出了适用于强湍流区的无限平面波和球面波的到达角起伏方差表达式及其功率谱表达式，分析了散射盘对到达角起伏的影响。研究结果表明：导出的方差表达式在弱湍流区也适用，随着Rytov方差的增加到达角起伏趋于饱和；高频功率谱的下降速度随着散射盘尺度的增加而增加。     

高斯波束在湍流大气斜程传输中的闪烁问题研究

根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU-R湍流大气结构常数模型,将水平传输的修正里托夫方法推广到了斜程传输问题中。导出了高斯波束入射时,在零内尺度湍流谱模型及考虑湍流内尺度效应和外尺度效应条件下,从弱起伏湍流区到强起伏湍流区闪烁指数随斜程里托夫方差变化的计算公式。讨论了不同传播高度、不同湍流内、外尺度对高斯波束斜程传输闪烁指数的影响。最后将有关数值计算结果与实验测量结果进行了比较和验证。     

The second-order Rytov approximation and residual error in dual-frequency satellite navigation systems

The second-order Rytov approximation has been used to determine ionospheric corrections for the phase path up to third order. We show the transition of the derived expressions to previous results obtained within the ray approximation using the second-order approximation of perturbation theory by solving the eikonal equation. The resulting equation for the phase path is used to determine the residual ionospheric first-, second- and third-order errors of a dual-frequency navigation system, with diffraction effects taken into account. Formulas are derived for the biases and variances of these errors, and these formulas are analyzed and modeled for a turbulent ionosphere. The modeling results show that the third-order error that is determined by random irregularities can be dominant in the residual errors. In particular, the role of random irregularities is enhanced for small elevation angles. Furthermore, in the case of small angles the role of diffraction effects increases. It is pointed out that a need to pass on to diffraction formulas arises when the Fresnel radius exceeds the inner scale of turbulence.     

部分相干光与相干光在湍流中的传输特性实验研究

相干光经湍流传输引起光强闪烁效应,理论研究表明利用部分相干光可降低该影响,而相关的实验验证鲜有报道。利用水介质的对流湍流池模拟产生了Rytov方差为0.04~0.16的湍流,进行了弱起伏区湍流中部分相干光及相干光的传输实验,由接收光强计算出其光强闪烁指数随湍流Rytov方差的变化关系。实验结果表明:随着湍流强度的增加,部分相干光与相干光的闪烁效应均增强,但部分相干光的闪烁指数小于相干光。将实验数据与Andrews等人建立的闪烁指数理论模型进行比较,得出了较为一致的结论。     

Study on the Scintillation for Optical Wave Propagation in the Slant Path Through the Atmospheric Turbulence

Based on the theory of optical wave propagation in the slant path and the ITU-R turbulence structure constant model which is altitude dependent, the modified Rytov method, which is applicable to the optical wave propagation in the horizontal path, is extended to the propagation in the slant path. According to the spectrum model with non-zero inner scale, the scintillation index as a function of the Rytov variance is obtained from weak to strong fluctuation regions with plane wave and sphere wave incidence, respectively. Finally, the scintillation index with different zenith angles is analyzed, and comparison between the results of the modified method and experimental measurements is given and discussed in detail.     

The influence of non-Kolmogorov turbulence on the entanglement of spatial two-qubit states in a slant channel

The effects of atmospheric turbulence on the entanglement of spatial two-qubit states that are prepared using the signal and idler photons produced by parametric down-conversion are studied. Utilizing the non-Kolmogorov model for atmospheric turbulence and Rytov approximation method, we quantify the effects of atmospheric turbulence on the entanglement of the two-qubit state in terms of Wootters's concurrence. Our results show that the effects of the zenith angle of communication channel and the outer scale of turbulence on the concurrence of a spatial two-qubit state can be ignored and the smaller inner scale of turbulence, the smaller refractive-index power α, the shorter wavelength of beams and the longer propagation distance will lead to the larger fluctuations of the concurrence of a spatial two-qubit state.     

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.     

基于拉盖尔-高斯光束的通信系统在非Kolmogorov湍流中传输的系统容量

涡旋波束在大气湍流中的传输有非常重要的理论研究和实际应用意义. 本文基于利托夫近似和广义惠更斯-菲涅耳原理, 推导出拉盖尔-高斯(LG)光束在非Kolmogorov湍流中斜程传输时的螺旋谱, 并进一步推导出系统的容量. 对基于LG光束的通信系统容量进行了数值计算, 并对指数参数、光束波长、天顶角、湍流内尺度、外尺度、结构常数对系统容量的影响进行了分析比较. 本文的结论能够为LG光束在非Kolmogorov湍流中的通信提供一定的参考价值. 关键词： 拉盖尔-高斯光束 非Kolmogorov湍流 平均容量