激光传输湍流大气的折射率起伏双尺度模型

运用Kolmogorov 1941串级湍流模型理论和近似①湍流大气中传输激光束的强度起伏可抽象为大尺度湍涡导致对小尺度湍涡产生强度起伏倍乘性再调制的双尺度过程;②分别由大尺度湍涡和小尺度湍涡产生的光闪烁相互统计独立;③在双尺度模型下,即使在湍流起伏饱和区,用于处理光闪烁的Rytov方法仍然适用.导出了包含湍流内外尺度因子的简化折射率起伏双尺度模型和湍流大气中传输平面波的闪烁孔径平滑因子.结果表明,有限湍流内、外尺度在0.5＜d＜3.5孔径区域增加了闪烁的孔径平滑作用.     

斜程大气传输激光束的平均光强与短期光束扩展

基于广义惠更斯-菲涅耳原理、修正von Karman 湍谱、贝塞耳权重函数的高斯函数近似和误差小于4%的波结构函数平方近似，研究得出了包含湍流尺度影响的湍流大气中传输高斯光束的平均光强新关系和包含湍流外尺度影响的光束短期扩展因子。研究了高斯光束等效半径与传输距离、初始光束束径和光波波长间的关系，结果表明，在给定折射率结构参量和传输距离情况下，存在极小短期光束扩展对应的特征初始束径和特征光波波长。     

湍流大气中空间部分相干奇异光波的传输

自由空间中带有光学涡的部分相干光的传输特性是影响大气光通信系统性能的关键因子之一.基于弱湍流大气中光波传输的Rytoy方法和部分相干光的互相干函数的交叉谱密度函数近似,研究了带有"光学涡"的空间部分相干拉盖尔一高斯光束在湍流大气中的传输特性,得出了弱湍流大气中传输的部分相干光束互相干函数和平均光强空间分布的解析关系.研究结果表明,弱湍流大气起伏仅仅影响这类光束相干函数的幅值,不改变光束光学涡的分布特征.     

有限湍流尺度对红外大气成像系统分辨率的影响

采用包含大气湍流内、外尺度的调制折射率谱函数分析了湍流尺度对Fried相干参数(大气相干直径)的影响,给出了Fried参数修正关系。结果表明大气湍流的内尺度对Fried相干参数影响不大,然而由于尺度为L0的大气湍流透镜和相干Fried湍涡的相互作用以及它们对传播光波的衍射作用,有限大气湍流外尺度“增大”了Fried大气相干直径。     

湍流大气中部分相干空心聚焦束的光强分布

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了湍流大气中聚焦部分相于空心光束传输特性,用张量积分的方法导出了接收面上平均光强分布的解析表达式。研究结果表明：对于给定的传输距离,焦面上的光强分布均为高斯分布。高斯分布的峰值和腰宽与空心光束的初始相干长度、焦距的长度以及大气湍流起伏强度和湍流外尺度密切相关,而且在强湍流情况下,湍流外尺度严重影响峰值强度。     

非均匀湍流路径下光束分层传输缩比实验研究

在非均匀湍流路径光束传输的研究中,设置合理的相位屏位置分布和数目尤为关键。在多层相位屏模型的基础上,建立了非均匀湍流路径下大气分层优化模型,结合两层相位屏的光束传输算例,在Hufnagel-Valley 5/7大气湍流廓线模型下,分别计算了相应的大气离散分层边界与相位屏的最优分布位置,并引入相应的最大Rytov判据。根据等菲涅耳数、等湍流效应和几何尺度缩比原则,计算了具体光束传输缩比实验参数,对比分析了光强起伏概率密度分布和相位结构函数的理论值与实验值。研究结果表明:不同天顶角下光强起伏概率密度分布实验拟合与理论曲线整体分布趋势一致,且呈现出对数正态分布的趋势;光强起伏的经验累积分布实验与理论曲线趋势保持一致,说明概率密度分布曲线拟合程度较好;而在所关注的低频区域,相位结构函数的实验曲线与理论曲线虽然存在一定的偏差,但其整体趋势仍然保持一致,且近似服从5/3幂律规律。     

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。     

湍流尺度对高斯谢尔光束闪烁孔径平滑的影响

通过运用包含湍流内、外尺度因子的调制折射谱和波场交叉谱密度函数的互相干函数近似,研究了大气湍流内、外尺度对高斯谢尔光束闪烁孔径平滑的影响,得出了弱大气湍流起伏环境下包含大气湍流外尺度因素的高斯谢尔光束闪烁孔径平滑因子。结果表明,随着湍流外尺度的减小,孔径对高斯谢尔光束的大气闪烁平滑作用减小,湍流外尺度对不相干光闪烁孔径平滑作用的影响可以忽略。     

综合斜程传输和光束扩展影响下的大气湍流相位屏组设计

设计了综合斜程传输和光束扩展影响下的相位屏组来模拟光束经大气层斜程传输后产生的波前畸变,先利用功率谱反演法和次谐波补偿法生成垂直传输路径的相位屏,再结合斜程大气传输理论对相位屏进行斜程修正,得到适用于模拟斜程大气湍流影响的相位屏。通过数值分析对比了斜程相位屏与垂直路径相位屏相位结构函数的差别。结合光束扩展情况计算每个高度区间对应的波前畸变空间分布,建立了相位屏组模型,最后得到接收光波面各位置的相位分布。     

Wave propagation through random media: Contributions from ocean acoustics

Recent theoretical and experimental progress in understanding sound transmission through a random field of internal waves is reviewed. Some attempt is made to place this work in historical relation to similar efforts in radio-wave propagation through the ionosphere and light propagation through the atmosphere. It is emphasized that internal waves as a random medium possess several new features unfamiliar to those dealing with homogeneous isotropic turbulence. The effect of a background deterministic wave-speed variation (the ocean sound channel) is central to the theoretical treatment, which is based on a path-integral solution of the parabolic wave equation. A distinction is made between two sections of the saturated region and some emphasis is placed on the region of partial saturation. Comparison with experiment is discussed with examples from the two-point mutual coherence function of time, frequency, and vertical separation; the intensity correlation in time, frequency, and vertical separation; the spectra of phase and log intensity, pulse propagation, and the higher moments of intensity.     

Electromagnetic wave propagation on a double-layer dielectric film

The nature of the eigenvalues characterising the electromagnetic wave propagation in a homogeneous isotropic double-layer dielectric structure of infinite extent on a perfectly conducting ground plane is discussed.     

强海洋湍流水下光通信系统误码率研究

水下无线光通信（underwater wireless optical communication,UWOC）系统具有宽带宽、低衰减、低延时时间、高安全、高速率等优点,可满足水下数据、图像、传感器网络、视频通信的高速需求,受到了广泛研究。然而,除了水下的吸收、散射效应外,湍流效应也会使光信号衰减和衰落,限制了UWOC系统的通信质量和传输距离。探讨了外差式差分移相键控（differential phase shift keying,DPSK）调制对误码率（bit error rate,BER）的提升能力。假定强海洋湍流信道为Gamma-Gamma分布,利用改进的Rytov方法,得出了UWOC系统采用平面波和球面波传输时的闪烁系数表达式。借助于Whittaker M函数推导了DPSK调制的UWOC系统采用这两种光波传输时BER的解析式,并利用数值结果验证了解析结果的正确性。应用解析公式,仿真分析了DPSK调制的UWOC系统采用两种光波在三种重要的海洋湍流因素和通信距离下的BER,并对比分析了DPSK调制与OOK调制的BER。仿真结果表明,UWOC系统采用DPSK调制和球面波传输,在较小的均方温度耗散率、较小的温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值、较大的湍流动能耗散率的海洋中及通过较短的通信距离传输可以得到更优的BER。      

Transmission des signaux perpendiculairement à un milieu stratifié périodique: étude fréquentielle

The authors consider the propagation of electromagnetic and elastic waves in a medium consisting of alternating layers of two different homogeneous isotropic and nonabsorbing substances. The waves are assumed harmonic and plane and their propagation is perpendicular to the layers. They show the existence of frequency ranges for which the wave propagation is possible and other ones where the waves are vanishing. The dispersion property of this medium is analysed; for low frequencies, the propagation velocity is shown smaller than the expected mean velocity. At last, a detailed work gives the transfer functions for transmission and reflection of the double linear filter constituted of the layered medium set between two homogeneous isotropic media. They pay attention to the isochronous layered medium.     

Calculation of the propagation constants of TM electromagnetic waves in a nonlinear layer

Propagation of TM electromagnetic waves through a nonlinear homogeneous isotropic nonmagnetic dielectric layer is considered. The layer is located between two homogeneous isotropic half-spaces. The dispersion equation for the propagation constants of the waves in the layer and the first approximation for these constants are presented. The propagation constants for the cases of a linear medium and a nonlinear medium in the layer are compared. The linear and nonlinear cases and the first approximation are analyzed. Calculation results are presented.     

水下光通信系统在非Kolmogorov湍流中的传输特性

湍流效应是限制水下无线光通信(underwater wireless optical communication,UWOC)系统性能的关键因素之一。在强海洋非Kolmogorov湍流中,首先以平面波和球面波为光源,研究了采用孔径接收的差分相移键控(differential phase-shift-keying,DPSK)调制的UWOC系统性能。接着,基于Gamma-Gamma信道模型,利用Whittaker函数推导出了平均误码率(average bit error rate,ABER)的解析表达式。最后研究了不同光束形状、调制方式、孔径尺寸以及非Kolmogorov湍流参数即内尺寸和幂率对ABER的影响规律。结果表明,UWOC系统采用球面波传输、DPSK调制在比较小的内尺寸和较大的幂率湍流下传输经孔径接收可以提升ABER性能。     

湍流大气传输光束的孔径平均到达角起伏

采用Rytov近似、包含湍流内外尺度影响的近似修正von Karmam谱和传输权重函数中的Airy函数的高斯函数近似,给出了平面波通过湍流大气圆孔接收孔径平均到达角方差解析关系。     

Axisymmetric spherical traveling electromagnetic waves in an isotropic medium

The problem of propagation of spherical electromagnetic waves traveling in an isotropic space in the absence of sources is solved in the axisymmetric case for the first two modes varying along the latitude. The solution is obtained from the homogeneous Maxwell equations represented in spherical coordinates in a real form. Analytic expressions for the components of the fields of these E and H waves are used to derive the equations of the corresponding field lines. Field-line patterns are displayed that illustrate the dynamics of propagation of converging and diverging spherical electromagnetic waves in the case when the former are transformed into the latter.     

Propagation of transients in dispersive dielectric media

The propagation of transient electromagnetic fields in dispersive dielectric media is studied. The dielectric medium is assumed to be linear, isotropic, and homogeneous, and is described by the Debye model. Incident fields are assumed to be transverse electromagnetic plane wave pulses. The dielectric body can assume the form of infinite half space or an infinite circular cylinder, either of which may be homogeneous or stratified. The electric fields induced in the dielectric are calculated from time-domain Maxwell's equations using the finite-difference time-domain method.<>