关于斜程湍流大气中激光波束闪烁指数研究的综述

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,将水平均匀湍流介质情况下成立的修正Rytov方法扩展到斜程传输问题上,建立了激光高斯波束波从弱湍流区到强湍流区斜程路径考虑湍流内尺度和外尺度的闪烁指数统一模型,在大气结构常数为一定值时可退化到水平传输情况.数值计算分析了1.06μm、1.315μm、3.8μm和10.6μm等典型波长的波束闪烁特性,结果表明波长较短时,内尺度影响较大,且内尺度效应对闪烁的影响要大于外尺度效应,但在强起伏情况下,外尺度的影响也变得较为显著.     

湍流尺度对大气成像系统分辨率的影响

运用湍流大气的Andrews折射率谱近似模型从理论上分析了大气成像系统的光学传递函数并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。结果表明应该考虑湍流尺度对大气系统成像的作用。采用近似Andrews折射率谱模型所得结果与采用纯指数谱计算结果有明显差别。     

大气湍流中激光波束斜程传输的展宽、漂移特性

根据推广的Huygens-Fresnel原理推导了不同接收机高度斜程传输情况下波束的扩展半径.同时结合Mellin变换,导出了考虑外尺度情况下准直激光波束漂移方差模型,可以退化到不考虑外尺度时漂移方差.数值计算中应用ITU-R公布的随高度变化的大气结构常数模型,结果表明,斜程大气湍流中波束的漂移方差、扩展半径依赖于接收机高度和初始波束半宽.随仰角的增加,波束的有效半径和漂移方差不断减小;累积效应斜程传输波束受大气湍流的影响比水平传输要小得多.     

大气湍流下激光斜程通信误码率分析

自由空间激光通信系统的性能容易受大气湍流效应影响而下降。针对地空激光通信的实际情况,将修正Rytov方法应用于大气湍流条件下的光波斜程传输研究。基于ITU-R大气结构常数模型,建立了湍流条件下系统误码率的数学计算模型,对不同强度湍流信道的系统误码率进行了数值计算,讨论了误码率受通信高度、天顶角、工作波长及近地面风速等系统参数影响程度及变化规律。结果表明:大气湍流强度是影响系统性能的决定性因素;在相同强度湍流条件下,系统的误码率随通信高度、天顶角、风速的增大而增大,随工作波长的增大而减小。     

湍流大气中光波闪烁的斜程问题研究

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Rytov方法扩展到了斜程传输问题中。在零内尺度湍流谱模型下，得到了平面波入射时从弱起伏湍流区到强起伏湍流区闪烁指数随斜程Rytov方差的变化规律，最后讨论了闪烁指数随天顶角的变化情况。     

高斯涡旋光束在斜程大气湍流中的轨道角动量特性

本文基于广义惠更斯-菲涅尔原理和大气湍流理论模型,推导了高斯涡旋光束在non-Kolmogorov大气湍流中斜程传输的螺旋谱解析表达式和光强表达式,并数值模拟了涡旋光束传输后螺旋谱和光强的分布规律,分析了各光束参数和大气湍流对螺旋谱弥散的影响。研究结果表明：随着传输距离增大,螺旋谱弥散越强烈,在增大到一定距离时,各螺旋谱分量逐渐趋于均匀分布,光强逐渐呈高斯分布。增大光束的初始拓扑荷数和波长可有效减小传输后螺旋谱的弥散程度;当天顶角逐渐增大到π/2时,传输方式为水平传输,螺旋谱弥散程度显著增大;近地面折射率结构常数越大、湍流内尺度越小,螺旋谱弥散越严重,而湍流外尺度对螺旋谱的影响程度很小。     

中国北方大气湍流中微波传播闪烁问题研究

从分析影响微波段大气折射率结构常数的因素人手,考虑了温度和相对湿度对这一波段大气折射率结构常数的影响,建立了我国北方地区微波段大气折射率结构常数C2n模型,并以此模型为基础分析和推导了K-Ka波段的平面波在湍流大气中水平和斜程传输时的闪烁指数.研究表明:温度和相对湿度对微波段大气折射率结构常数有一定的影响,但湿度影响相对较小;同时在其它条件不变的情况下,和光波段一样,湍流的内尺度、传播高度、路径天顶角对微波段闪烁指数均有一定的影响.     

斜程路径大气相干长度的测量

介绍了一种斜程有限距离上大气相干长度的测量系统和方法,用系留气球搭载一个点光源,在地面用差分像运动测量法测量光波到达角起伏方差来确定实时的斜程大气相干长度值,与湍流廓线测量实验进行了对比,实验结果分析光学湍流廓线积分与相干长度仪测量二者的相关性较好.     

斜程大气湍流中点目标回波的闪烁研究

为了研究随高度变化的大气湍流外尺度对斜程路径点目标回波闪烁指数的影响,基于修正Rytov方法,将斜程路径下双基系统及单基系统点目标回波的闪烁指数模型拓展至中度及强起伏湍流区域。该模型不仅包含内尺度因素,而且考虑了随高度变化的外尺度因素。数值模拟结果表明:当湍流起伏较弱时,外尺度对于闪烁指数的影响远小于内尺度;但当系统处于中度及强起伏湍流时,随高度变化的外尺度因素的影响作用明显,不可忽略。在激光通信、激光探测等系统中,可利用该研究结果对系统所处湍流区域引起的闪烁效应进行预测,以调整系统至最佳配置。     

大气湍流对激光通信系统的影响分析

大气湍流是影响大气激光通信系统性能的主要因素之一。在忽略光通信系统中的其它噪声且仅考虑 由大气湍流引起的系统误码率的情况下,对激光信号在大气湍流中斜程传输时的通信系统误码率(BER)、信噪比(SNR)与 对数振幅起伏之间的关系进行了研究;依据ITU--R公布的随高度变化的大气结构常数模型,用FORTRAN对信噪比和误码率在 不同波长与不同天顶角的条件下随高度的变化情况进行了数值模拟。结果表明,当传输高度相同时,用长波激光和较小的天顶角 进行斜程传输,可以有效地减小系统的误码率和增加系统的信噪比,从而提高激光的通信质量。     

自由空间光通信系统中弱大气湍流引起的相位波动和强度闪烁对DPSK调制系统的影响

大气湍流是自由空间光通信链路系统的主要限制因素。大气湍流造成光束的强度闪烁和相位起伏。因此,基于MZI-DPSK调制,考虑大、小湍流尺度引起的强度闪烁和相位噪声对误码率的影响且强度闪烁满足逆高斯分布和相位波动满足高斯分布。利用分布式天线阵接收技术,研究了大气湍流下自由空间光通信链路的误码率性能,推导了在内外尺度下,分布式天线阵接收的误码率关于相位误差的函数表达式。为了提高误码率的性能,天线阵接收采用了最大比合并技术。仿真结果得出相位误差对误码率的影响很大;内外尺度对误码率的影响可以忽略不计。采用天线阵接收可以降低系统的误码率,提高通信系统的性能,且得出天线阵接收的最佳子天线个数。     

空心高斯涡旋光束在各向异性non-Kolmogorov大气湍流的光强分布

为了分析大气湍流对空心涡旋光束传输光强的影 响,基于广义惠更斯-菲涅尔原理和 Rytov相位结构函数近似,利用各向异性大气non-Kolmogorov湍流谱模型,推导出空心高斯 涡旋(HGV)光束在各向异性大气湍流中的传输光强解析式,数值模拟分析了传输距离、湍 流参数和光束参数对光强分布的影响。研究结果表明:随着传输距离增大,HGV光束的传输 光强将由空心分布逐步演化为高斯分布,且拓扑荷数越大、束腰半径越小、波长越长的HGV 光束的光强受各向异性大气湍流影响越小;当湍流的各向异性系数、广义指数和内尺度越大 ,以及外尺度与结构常数越小时,HGV光束的传输光强随传输距离的演化会减慢,表明HGV光 束在较弱的各向异性non-Kolmogorov大气湍流中传输时光强分布受到湍流的影响较小。     

斜程湍流大气中矢量涡旋光束的OAM特性研究

基于螺旋谱理论推导出矢量涡旋光束在斜程大气湍流传输中的轨道角动量(orbital angularmomentum,OAM)谱,讨论了修正Kolmogorov大气湍流对不同阶矢量涡旋光束光场分布及光束OAM谱的影响。利用旋转毛玻璃作为随机相位屏,实验采集了矢量涡旋光束通过旋转毛玻璃后的光强图像与归一化强度。结果表明:经大气湍流斜程传输后,矢量涡旋光束的光强分布产生畸变且OAM谱发生弥散,OAM谱弥散程度随传输距离的增大而增大。传输距离不变时,天顶角越大,主OAM模相对功率越小,湍流内尺度减小与折射率结构常数增大均会导致主OAM模相对功率减小。同一传输路径下,随着湍流强度的增大,矢量涡旋光束中心相位奇点的强度逐渐增大,并且拓扑荷不变时,偏振阶数高的矢量涡旋光束受到的湍流影响较小。     

基于相干多普勒激光雷达的斜程湍流参数反演方法研究

大气湍流广泛存在于大气中, 其中斜程湍流对航空航天、天文观测等会产生不可忽视的影响。一方面利用相 干多普勒测风激光雷达获得的高时空分辨风场探测数据, 另一方面基于Kolmogorov 局地均匀各项同性理论, 即在惯 性子区内湍流的特征只与湍能耗散率 ε 有关, 将速度结构函数法应用到飞机着陆阶段下滑道扫描模式中, 通过实测 数据的速度结构函数与模型速度结构函数最小二乘法拟合, 从而估算激光雷达扫描范围内的大气湍流参数 (径向风速 方差、湍流积分尺度和 ε 等)。根据下滑道扫描区域数据的时空分布特征, 给出大气湍流参数的斜程空间分布图, 并与 同步观测的飞机下滑道风切变强度数据进行了对比分析, 发现两者具有较好的一致性, 证实了斜程湍流参数反演方 法的可靠性。     

大气湍流对部分相干激光瑞利区间影响的研究

为了研究部分相干双曲余弦高斯激光瑞利区间所受到的大气湍流作用的影响,采用解析分析和数值计算的方法,研究了自由空间中瑞利区间所受各种因素的影响,发现激光瑞利区间随光束相干强度、高斯束腰宽度和大气湍流内尺寸的增强而增大,随大气折射率起伏强度和激光波长的增加而减小。结果表明,湍流内尺寸对瑞利区间的影响较为显著,而湍流外尺寸对瑞利区间的影响作用有限,瑞利区间的大小取决于大气质量和激光本身特性。     

INNER AND OUTER SCALE EFFECTS ON SCINTILLATION INDEX FOR AN INFRARED LASER PROPAGATING ON EARTH-SPACE PATHS

The effects of the inner-and outer-scale of turbulent atmosphere on the scintillation index for an infrared laser beam propagating through atmospheric turbulence are discussed under the assumption that small-scale irradiance fluctuation is modulated by large-scale irradiance fluctuation on Earth-space paths. A model about the scintillation index with the inner-and outer-scale is developed. A numerical analysis is done by using this model. It is shown that the effect of the inner scale on scintillation index is larger than the outer scale effect for the lesser wavelength wave at visible and infrared band. From moderate to saturation regime, the inner scale effect becomes gradually small; however, the outer scale effect becomes gradually obvious. Under moderate to strong regime, therefore, the effects of the inner-and outer-scale on scintillation index must be considered for theoretical prediction scintillation of an infrared laser beam propagating through turbulent atmosphere on Earth-space paths.     

受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气传输的M2因子

为了研究受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气中传输时质量因子的特性,基于拓展的惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩定义,经理论推导得出受遮挡贝塞尔-高斯光束的解析表达式,并进行了相应的数值计算。结果表明,当遮挡物尺寸不大于0.4倍的腰宽时,受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气中的传输质量因子随传播距离、湍流大气结构常数的增大而增大,随着湍流内标量、光束拓扑荷数的增大而减小。在相同条件下,光束的传输质量因子随着遮挡物尺寸的增大而增大。所得结论对实际激光传输和自由空间光通信有一定的参考价值。     

大气光学湍流廓线探测方法研究进展

激光在大气传输过程中,由于湍流折射率的随机起伏会引起波前畸变、光斑漂移、闪烁等一系列光学湍流效应,因此严重制约了遥感成像系统和激光通信技术的发展.通过分析大气光学湍流对多个领域的影响,指出了探测大气光学湍流廓线的重要意义.要想获取光学湍流的时空分布规律并准确评估光学湍流对光学成像或激光传输系统的影响,就必须对光学湍流进...     

斜程大气传输光束孔径平滑到达角与像点起伏

像面到达角起伏、波面抖动和像点抖动通常是研究大气干扰情况下高分辨成像系统波前特性的重要方法之一。采用Rytov近似、包含湍流内外尺度影响的修正von Karmam近似谱和接收光学系统孔径滤波函数和传输权重函数中的Airy函数的高斯函数近似,研究了斜程湍流大气中传输束状波的波面抖动、像面到达角起伏和像点抖动规律,导出了圆孔接收系统测量到的包含湍流内外尺度影响的束状波孔径平滑波面抖动、像点抖动和像面到达角方差理论模型。