双向大气相干长度测量获取湍流模式及日变化分析

大气相干长度是定量描述大气湍流强度的重要参数,提出一种通过对同一斜程路径进行双向大气相干长度测量、从而建立实时的湍流强度随高度的分布模式的方法,并进行了多日全天观测实验以验证所提方法。通过不同天气条件下得到的测量路径湍流强度时空分布的相互比较,以及对多日大气相干长度测量比值的统计分析,初步验证了所提方法的准确性。     

激光雷达测量大气湍流廓线

 介绍了一种利用成像激光光斑测量大气湍流廓线的激光雷达原理。通过对分层大气湍流的光束波面变化的测量,获取各分层大气湍流的相干长度,据此利用平面波近似算法反演湍流强度廓线。通过搭建的大气湍流廓线激光雷达实验系统获得了湍流廓线的实验数据,并且与系留飞艇搭载的温度脉动仪在同时段固定高度进行了对比实验,验证了近似递推算法的可行性。最后对实验中出现的误差进行了讨论。     

激光雷达大气湍流测量方法研究

 报道了一种用激光雷达方法测量大气湍流的技术，利用发射激光束在空间所需位置产生一个聚焦光斑，通过此光斑处的大气分子瑞利散射机制形成一个空间的人造散射光源，接收系统对此光源的散射光进行探测，测量出从地面到此空间散射光源之间的大气湍流参数。给出了对武汉上空大气湍流测量的初步结果。得到了不同高度层的大气相干长度随时间的变化特性、平均值和起伏均方差，并对实验测量和模型计算的大气折射率结构常数在相应高度段的积分值进行了比较，二者积分值都在10-12量级，得到的结果基本相符。这种测量方法的实现，为测量空间不同方位、不同距离的大气湍流提供了一种新的手段。     

利用多源测量数据实时估算整层大气光学湍流

综合利用微波辐射计、风廓线雷达、自动气象站、温度脉动仪及历史探空资料等多源测量数据可实时估算整层大气光学湍流。本文通过构建实时大气参数廓线,计算边界层高度,在边界层和自由大气层分别采用指数递减模式和Dewan外尺度模式估算大气折射率结构常数（Cn2）廓线,拼接后积分实现了大气相干长度（r0）的实时估算,并与相干长度仪实测r0进行了对比。通过误差分析可知,r0的模式估算值与实测值在大气层结不稳定状态均方根误差最小,相关性较好,在稳定和近中性状态均方根误差较大,相关性较差,尤其在近中性状态均方根误差最大。研究结果表明,利用多源大气测量数据,采用分层估算的方法实时估算整层大气光学湍流是可行的,具有一定的工程应用价值。     

大气湍流对斜程传输准单色高斯-谢尔光束时间相干性的影响

由第一类零阶贝塞尔函数的级数展开推导出波结构函数在任意湍流条件下的近似表达式。由广义惠更斯-菲涅耳原理、随高度变化的Hufnagel-Valley湍流廓线模型以及波结构函数在任意湍流条件下的近似表达式,导出了斜程传输时准单色高斯-谢尔光束互相干函数的解析式。然后,利用表征光束时间相干性的纵向相干长度(可由互相干函数导出),研究了斜程传输时大气湍流对准单色高斯-谢尔光束时间相干性的影响。研究结果表明,准单色高斯-谢尔光束的时间相干性在整个斜程传输过程中保持不变。最后,对该结果在物理上给予了定性解释。     

双孔差分闪烁法测量大气湍流的理论与实验研究

根据cross-path理论, 推导出弱起伏条件下差分孔径光强起伏结构函数的精确表达式, 以此为依据, 从理论上提出测量大气湍流强度的双孔差分闪烁法. 在Kolmogorov湍流谱条件下, 分析了信标光直径和信标光高度对该方法中路径权重函数的影响. 在近地面开展了2 km路径的水平光单程传输实验, 将双孔差分闪烁法和单孔闪烁法的测量结果进行了对比. 实验结果表明: 在不同的天气条件和大气湍流状况下, 两种方法测量的折射率结构常数具有高度的一致性; 通过对折射率结构常数积分得到的球面波大气相干长度进行相关性分析, 发现两者的线性相关系数达0.96; 由此验证了双孔差分闪烁法的可行性和有效性. 该方法能够分离出主动信标双程传输的后向闪烁信息, 为主动信标准确探测大气湍流提供了一种新方法.     

星载激光测距大气校正算法与模型研究

考虑大气折射对星载激光测距的影响,研究了基于光线追迹理论的激光程差计算方法.综合利用气象探空数据和高层大气模式数据,拟合得到了全国46个典型地区的年度平均大气折射率模数高度分布廓线.据此,比较分析了光线追迹算法结果与Marini-Murray模型计算结果,给出了激光程差的全国性分布状况.最后,分析了激光程差与海拔高度和...     

哈特曼测量大气相干长度研究

研究了利用哈特曼波前传感器测量大气相干长度的两种方法:一种是测量两个子孔径恒星光波到达角起伏方差的差分像运动法;另一种是测量恒星波前分布,通过波前分布的剩余方差推算得到大气相干长度。试验测量结果表明,两种方法得到的测量结果基本一致,得到了大气相干长度的可靠数据,两种方法得到了相互验证,实现了在应用哈特曼波前传感器测量大气波前分布时,同时得到当前的大气信息,对分析哈特曼波前传感器的测量结果有参考意义。     

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。     

大气光学湍流模式研究:Cn2廓线模式

由于大气湍流的存在,当光束在大气中传播时会发生相位起伏、光强闪烁等一系列湍流效应现象,严重制约光电系统的性能,是造成天文观测困难的主要原因.大气折射率结构常数C_n²廓线是评估大气湍流效应的重要参数.本文归纳了几种有代表性的C_n²廓线模式,提出了修正的CLEAR I夜晚模式;分析了高美古、拉萨、大柴旦、茂名、荣成等5个实验点探空测量数据,给出了5个实验点算术平均拟合的C_n²廓线公式;计算了各模式和测量数据在波长为0.5μm时的大气相干长度r0、视宁度εFWHM、等晕角θ0、相干时间τ0、等效高度h和等效风速V等大气光学参数以及各大气层C_n²递减率和不同大气层湍流贡献百分比.重点对H-V(5/7)模式的存疑、 C_n²廓线模式采用的平均方法、低平流层C_n²是否具有统一的递减率等问题进行讨论并给出答案.     

Coherent beam combining of two W-level fiber amplifiers in turbulence atmospheric environment based on stochastic parallel gradient descent algorithm

We demonstrate coherent beam combining of two W-level fiber amplifiers based on stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm at 8 m distance in a simulated turbulence atmospheric environment. A photodetector was used to get the coherent optical intensity of the main-lobe from a pinhole, based on the intensity and the SPGD algorithm, the phase controlling was performed by the digital signal processor. In order to simulate the atmospheric environment, turbulence was induced in the free space of the light path by fans and air-conditions in the lab. Experimental result shows that the system performs well for long-time both with and without the simulating turbulence in close-loop, combining efficiency as high as 84.25% with turbulence and 84.85% without turbulence were realized. Visibility increased from near zero in open-loop to 0.432 with turbulence and 0.505 without turbulence in close-loop and the residual phase error is controlled to be less than λ/18. The probability of energy encircled in the main-lobe to be more than 70% of its ideal value was increased from 18.66 to 93.71% without turbulence and from 14.80 to 92.49% with turbulence when the system evolves from open-loop to close-loop.     

Propagation properties of partially coherent Hermite–cosh-Gaussian beams through atmospheric turbulence

The analytical expression of partially coherent Hermite–cosh-Gaussian (HChG) beams propagating through atmospheric turbulence is derived and used to study their propagation properties through atmospheric turbulence. It is shown that partially coherent HChG beams propagating through atmospheric turbulence undergo several stages of evolution and a decrease of the spatial correlation length speeds up the evolution process. The smaller the spatial correlation length and the larger the beam orders are, the less the beam-width spreading of partially coherent HChG beams is affected by turbulence. At a sufficiently long propagation distance the beam-width spreading of partially coherent HChG beams with smaller Ch-part parameter and smaller waist width is less affected by turbulence. The results are illustrated by numerical examples, and the validity of the results is interpreted physically.     

部分相干Airy光束在湍流大气中传输时的偏振特性

研究了部分相干Airy光束在湍流大气中传输时的偏振特性,偏振保持度作为衡量偏振传输效果的一个重要参数.结果表明:部分相干Airy光束在湍流大气中传输足够远时,其偏振度会变回到初始值;而在自由空间中传输,光束的偏振度会保持在某一个特定值;在湍流大气中,当光束传输距离不是很远时,光束对称轴上的偏振度分布为Airy函数,但是当传输足够远时,该偏振度分布逐渐趋向于类高斯状;光束的束腰半径越大,相干长度越长,越有利于光束传输后偏振的保持;存在一个指数截断因子,使得光束的偏振保持度很差.这些结论对于Airy光束在通信领域中的应用具有重要的意义.     

激光空间相干性对照明均匀性的影响

 研究了激光相干性对照明均匀性的影响，为照明激光器的选择提供了理论参考。其中，部分相干高斯光束分解为模式间相互独立的厄米-高斯光束的迭加。采用相位屏的近似处理方法对激光通过大气湍流的传输进行计算模拟。数值模拟的结果表明：当照明光束的空间相干性降低时，其照明均匀度逐步提高。因此对于照明激光器而言，选择空间相干性较差的激光器对其照明均匀度更加有益。     

大气湍流对部分相干平顶高斯光束的影响

采用相屏近似处理方法对激光通过湍流大气的传输进行了数值模拟。从数值模拟的结果拟合出两个公式:一是通过湍流前后部分相干平顶高斯光束的束宽平方比随阶数、传输距离和湍流强度的变化关系式;一是通过湍流后的相干长度随初始光束相干长度、湍流相干长度的变化关系式。研究发现:部分相干平顶高斯光束分解为相互独立的厄米-高斯光束的叠加;相干性越差的光束受到湍流的影响程度就越小;湍流对光束传输的影响与光束自身相干特性对其传输的影响之间是不相关的。     

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。     

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。     

倾斜离轴高斯-谢尔模型光束在大气湍流中通过猫眼光学镜头反射光的光强特性

本文研究了大气湍流和探测光空间相干性对倾斜离轴激光束通过猫眼光学 镜头反射光光强特性的影响. 研究表明: 由于光阑效应以及光束倾斜或离轴, 反射光光强出现振荡和非对称分布现象. 大气湍流不会改变其非对称性, 但湍流中其光强不再振荡. 当猫眼光学镜头存在微弱正离焦δ_max情况下, 轴上光强可达到最大值. 猫眼光学镜头焦距越大, 所需δ_max越大. 但是, 大气湍流和探测光相干性好坏都不会改变所需δ_max值. 在大气湍流中传输距离足够远时, 反射光强会成为离轴类高斯分布. 随着传输距离的增大, 相干性越差的探测光的反射光束扩展可以更小, 这与部分相干光自由空间传输规律完全不同. 探测光相干性越好, 其反射光强受湍流的影响越大, 但差异不大. 本文所得结果对激光主动探测的应用具有意义. 关键词： 猫眼光学镜头 大气湍流 部分相干光 光强