激光大气传输相位不连续性的数值计算

利用激光大气传输及其校正四维程序对激光大气传输相位不连续性问题进行了数值计算,分析了相位不连续点密度与湍流强度、传输距离的关系和不同波长信标情况下的相位不连续性及其对校正结果的影响.根据计算结果表明:1) 在一定的传输距离情况下,大气湍流较弱时,相位不连续点对的数密度随湍流强度的增强变化很缓慢,但当湍流强度增强到一定值后,相位不连续点对的数密度随湍流强度的增强而迅速增加;2) 相位不连续点对的数密度不仅与大气相干长度有关,与传输距离也密切相关,在相同的大气相干长度条件下,传输距离越远,光强起伏越强,相位不连续点对密度越大,对自适应光学相位校正效果的影响也越大;3) 在同样的大气湍流和传输距离条件下,信标光波长越长,相位不连续点对的数密度越小,对主激光的校正效果也越好. 综合上述计算结果说明,用大气相干长度(或d/r0)以及自适应光学系统带宽,并不能完全描述自适应光学相位校正效果.尤其是在长距离激光大气传输中,自适应光学相位校正需要考虑闪烁的影响.(OG3)     

光纤激光的外腔谱组束和大气传输分析

采用Er^3＋/Yb^3＋共掺双包层光纤作为增益介质,实验实现了光纤激光器的调谐和三路光纤激光器的外腔谱组束,获得了光束质量因子Mx^2=1.304,My^2=1.151的组束激光。综合分析了外腔谱组束光纤激光在大气中传输时受到几种主要大气效应因素的影响,结果表明,在中等或弱湍流条件下,谱组束激光在5km的传输距离内,光束半径的变化不大,可以保证激光武器系统具有较好的战术应用效果。若在强湍流条件下运用,必须采用自适应光学补偿消除湍流的影响,才能保证激光武器系统的有效作战距离和传输效率。     

相位屏法仿真海洋湍流激光传输特性有效性

海洋湍流是制约水下激光通信应用的重要因素之一,相对于大气湍流,海洋湍流在较短距离内即可达到强起伏,针对强湍流传输特性及数值仿真的可靠性验证具有重要意义。基于大气湍流传输特性理论公式,利用大气湍流参数等效表达海洋湍流的方法给出了弱起伏到强起伏条件下海洋湍流传输特性的理论计算公式。针对相位屏法在海洋湍流仿真中的应用,给出了选取相位屏间距、网格尺寸和网格数目的基本要求,并数值仿真了海洋湍流不同参数条件下的传输特性,与理论计算结果进行了对比。结果表明:基于相位屏法得到的光强一阶矩传输特性参量与解析结果较为一致,但是在强闪烁条件下数值仿真光强闪烁特性与理论结果偏差较大。     

非线性光学共轭补偿的数值模拟

提出了一种成像取样加阈值共轭的闭环补偿方案,并进行了室内模拟湍流和室外500 m实际大气的补偿实验,结果表明成像取样加阈值共轭的闭环补偿方案是可行的.在有取样小孔时,补偿效果明显比没有取样小孔时更加稳定,能量集中度也更高. 本文采用相屏法进行数值模拟计算,计算结果得到:光束经1000 m传输进入相位共轭镜,相位共轭光束沿原路返回,计算在500 m处相位共轭光束受不同大气湍流强度的影响.弱湍流的条件下,在屏上观测到很好的光束质量,其能量集中度得到明显提高;当强湍流时,由于受到湍流的影响,使得进入相位共轭的光束具有若干个强度不等的光斑;没有取样小孔和无阈值共轭时,在屏上可观测到改善后的相位共轭光束仍具有若干个光斑;在有取样小孔和阈值共轭时,随着阈值的增加,虽然光束的总能量减少,但可以得到一个分布均匀的光斑,光束质量得到很好的改善,此光束可再经放大器放大,大大提高光束的能量集中度.(OB12)     

湍流强度对激光大气传输及其自适应光学校正的影响

利用激光大气传输及其相位校正四维程序,计算了不同的发射和传输条件对平台聚焦光束水平大气传输及其自适应光学校正的影响。结果表明:自适应光学系统开环时,在弱湍流效应条件下,以D／r_0为特征参量可以很好地表征湍流效应的强弱,SR值满足关系式SR=exp[-0．2(D／r_0)2],不考虑系统像差时,光束质量因子满足关系式β2=1 1．2(D／r_0)2;随着湍流强度或传输距离的增加,要考虑闪烁效应和相位不连续性对光束质量的影响,以D／r_0为特征参量就不足以表征湍流效应的强弱。另外,对于不同的发射和传输条件,自适应光学系统对激光大气传输的校正范围是不同的,且存在一阈值,条件不同其阈值是不同的。     

激光侦察告警设备作用距离仿真

提出了考虑探测概率曲线的激光告警设备作用距离的仿真方法.结合激光告警设备的探测概率曲线和大气湍流作用下的点光强起伏的概率分布,仿真得到激光单脉冲能量为10~(-5)J时,中等湍流强度(C_n~2=10~(-14) m~(-2/3))下激光告警设备的作用距离约为6.5km.实验结果证明这一方法是可行的.这一仿真解决了小孔径激光告警设备的作用距离外场评估费时费力的难题,为小孔径激光告警设备作用距离的评估提供了参考.     

湍流强度对激光大气传输及其自适应光学校正的影响

利用激光大气传输及其相位校正四维程序，计算了不同的发射和传输条件对平台聚焦光束水平大气传输及其自适应光学校正的影响。结果表明：自适应光学系统开环时，在弱湍流效应条件下，以D／r0为特征参量可以很好地表征湍流效应的强弱，SR值满足关系式SR=exp[-0．2（D／r0）^2]，不考虑系统像差时，光束质量因子满足关系式β2=1＋1．2（D／r0）^2；随着湍流强度或传输距离的增加，要考虑闪烁效应和相位不连续性对光束质量的影响，以D／r0为特征参量就不足以表征湍流效应的强弱。另外，对于不同的发射和传输条件，自适应光学系统对激光大气传输的校正范围是不同的，且存在一阈值，条件不同其阈值是不同的。     

弱湍流大气中Mathieu-Gauss束的传输

采用弱湍流大气光传输的Rytov近似和运用非衍射光束的平面波展开原理,研究并给出了弱湍流大气中Mathieu-Gauss束的场方程和平均光强解析表达式.研究表明:弱湍流大气中传输Mathieu-Gauss束由传输距离z函数的复振幅、高斯束包络、湍流引入的复相位和复标定横向非衍射束型四个因子构成,其归一化轴上平均光强随归一化距离z=z/zR和参量γ=1/2kpwO的变化与此类光束在自由空间传输的规律相同.     

用相位共轭技术实现区域目标的激光传输畸变补偿

相位共轭技术通过“时间反演”过程进行激光传输畸变补偿，具有快响应、高灵敏度、高稳定性，以及结构简单、价格低廉等优点。但通常主动信标光，采用相位共轭方法难以实现区域目标的大气传输畸变补偿。本文介绍我们首次提出了解决方案－成象减裁加阈值共轭镜，并用ＢａＴｉＯ３自泵浦相位共轭镜对静太和模拟湍流畸变进行了原理性实验。     

大气湍流中贝塞尔-高斯涡旋光束传播性能分析

为了研究涡旋光束在湍流大气中的传输特性,根据广义的惠更斯-菲涅耳原理,采用基于快速傅里叶变换的功率谱反演法,对贝塞尔-高斯光束在大气湍流中的传输过程进行了理论分析和数值仿真; 采用次谐波补偿法产生随机相位屏来模拟大气湍流,解决了大气湍流模拟时存在低频成分不足的问题。结果表明,除了湍流强度外,传输距离、拓扑荷数、激光波长等也成为影响贝塞尔-高斯涡旋光束质量的主要因素; 湍流越强,光束的环形光强越弱,相位畸变越严重,光强起伏越明显,且逐渐退化为普通高斯光束; 随着传输距离的增加,涡旋光束扩散现象明显,最终退化为普通高斯光束; 波长越长,则涡旋光束抑制湍流能力越强,环形光强越强,相位畸变程度会得到逐步改善; 拓扑荷数越小,涡旋光束会最先退化为普通高斯光束,相位畸变程度越弱。该结果对于研究涡旋光束在自由空间光通信中的传输是有帮助的。     

光纤脉冲相干激光测风雷达光学天线特性分析

为了提高光纤脉冲相干激光测风雷达性能,采用数学建模的方法来分析光学天线特性。利用后向传播本振原理,讨论光学天线口径对系统载噪比的影响,以及光瞳截断比对天线效率的影响; 提出光学接收耦合效率的定义,研究不同大气折射率结构常数条件对耦合效率和测程的影响;通过搭建实验平台,测量不同距离门内的载噪比和频谱强度等参数,验证了仿真结果。结果表明,当远场探测距离在7km~10km范围内变化时,天线最优口径为100mm,光瞳截断比最优值为0.8;相较弱湍流情况,强湍流会使同一系统测程下降近30%。此研究为光学天线的优化设计提供了理论依据。     

相位屏法研究平顶高斯光束的大气传输特性

由于理论研究和实验研究的局限性,用随机相位屏描述湍流大气对激光束的影响,模拟了平顶高斯光束经湍流大气传输时的远场光斑,并进行了统计分析。结果表明,平顶高斯光束经弱湍流大气传输时,短曝光光斑由中心小暗斑和外侧不规则的亮斑组成,湍流增强使光斑破碎,光强分布杂乱无章;对长曝光光斑而言,弱湍流情况下,光斑形状规则,光强分布存在中心凹陷现象,湍流增强使光斑变为椭圆,但光强变为近似成高斯分布。对于本文的参数值,湍流强度为C2n=10-16m-2/3时,光斑质心沿x和y方向分别在[-7.5 mm,7.5 mm]和[-10 mm,10 mm]随机变化,湍流增强使质心漂移标准差变大,同一湍流情况下,平顶高斯光束质心漂移的标准差要比高斯光束小。     

受激布里渊散射在ICF激光驱动器中的应用

本文概述了基于受激布里渊散射 (SBS)的位相共轭镜 (PCM )在惯性约束核聚变 (ICF)激光驱动器领域的实际应用 ,着重介绍了在高功率条件下 ,PCM的能量和功率负载强度、位相保真度和波形控制等关键问题。指出在超饱和工作条件下 ,采用SBS放大器—振荡器双池结构的PCM ,在获得高反射率、高保真度、可控脉冲输出的同时 ,不会增加激光系统的不稳定性。     

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。     

基于小波分析的高空大气湍流相干结构特征研究

通过对风速脉动和温度脉动数据进行谱分析和小波分析,得到不同高度大气湍流相干结构尺度,用来同时识别时间序列中相干结构的特征尺度,并与大气折射率结构常数Cn2相结合分析高空大气湍流强弱分层的相干结构特征,提取不同高度湍流层强度、湍流层厚度等空间特征。通过研究发现,随着高度的变化,湍流呈现强弱分层交替出现的空间特征,且随高度升高,湍流持续时间变短,湍流层厚度也变小;在大尺度的弱湍流背景下存在小尺度强湍流,分布相对密集,持续时间较短,厚度也较小。高空大气湍流在5~15 km上的存在明显的强弱分层现象,在6~10 km高度上有四个强湍流层,湍流层厚度约为500 m。     

非完全相位共轭特性研究

实验研究了部分相位共轭的特性,实验表明非完全相位共轭对相位共轭保真度及相位共轭光的能量集中度具有一定的影响,在没有吸收的情况下,根据能量守恒和互逆原理,推导了相位共轭保真度和相位共轭镜的有限尺寸之间的简单关系。     

受限拉盖尔-高斯光束湍流传输时轴上光强分布

为了研究受限拉盖尔-高斯光束湍流传输时轴上光强分布,采用扩展惠更斯-菲涅耳原理方法进行了理论分析,得到了受发射圆孔限制的拉盖尔-高斯光束在大气湍流中传输时轴上光强的表达式。并运用MAPLE模拟,取得了不同湍流强度、波长和发射圆孔孔径下轴上光强的分布理论数据。结果表明,拉盖尔-高斯光束在不同阶数、湍流强度、波长和发射圆孔孔径下,真空和湍流较弱时,轴上光强在近场发生明显振荡,达到最大值后,强度明显开始降低,湍流较强时,传输很近距离强度就迅速衰减,并与其在真空中的传输特性进行了比较。这一结果对研究拉盖尔一高斯光束是有帮助的。     

典型地区大气光学湍流测量与模式研究

在东南沿海地区、合肥地区和西北干旱地区进行了常规气象参数和光学湍流的测量.从地域气候上分析三个实验点所具有的典型特征.分析了不同下垫面对近地面光学湍流强度的影响,提出了近地面和高空光学湍流估算方法,并探讨了光学湍流的预报模式.Bulk方法可用于估算陆地和海面上的Cn2.通过对输入参数进行适当调整,近地面湍流预报模式估算结果和实际测量结果在量级和变化趋势上较为一致.可以用常规气象参数估算光学湍流廓线,合肥上空的光学湍流可以用Hufnagel模式进行拟合.     

孔径接收下各向异性海洋湍流UWOC系统误码分析

为了研究孔径接收对各向异性海洋湍流条件下水下无线光通信(UWOC)系统误比特率的影响, 系统采用高斯光束传输, 接收端通过孔径接收, 在脉冲位置调制方式下通过各向异性海洋湍流信道。引入各向异性海洋湍流结构常数, 通过对闪烁的形成原理和各向异性海洋湍流条件下闪烁系数的分析, 数值模拟得到了在不同接收孔径和各向异性因子下, 海洋湍流参量、传输距离、雪崩光电二极管(APD)平均增益和调制阶数对系统误比特率的影响。结果表明, 相同各向异性因子和海洋湍流参量下, 大孔径接收能有效提升系统误比特率性能; 相同孔径直径和海洋湍流参量下, 各向异性因子越大, 系统通信性能越好; 均方温度耗散率、温度和盐度对海洋功率谱变化贡献的比值较小, 湍流动能耗散率、动力粘度较大以及传输距离越短, 系统误码性能越好; APD增益为100或150时, 系统通信性能最佳; 调制阶数M=8时, 系统通信性能最佳, M>64时, 系统误比特率变化程度几乎饱和。该研究为UWOC系统平台搭建和性能估计提供了参考。