大气闪烁对激光信号检测的影响

激光在大气信道中传输时,会受到大气闪烁的影响,从而造成激光检测系统性能不稳定。文中对大气信道中大气闪烁效应对激光信号检测的影响作了初步的分析和计算,并给出了在一定大气湍流条件下激光检测相应的变化。     

高斯激光束大气湍流传输的建模与仿真

大气激光通信中,湍流对传输系统的性能有着严重的干扰。在湍流中传输的激光会产生相干性退化,并且引起了光束的相位起伏、到达角起伏、光强起伏等效应,极大的影响了激光通信中传输速率及准确性。因此,利用快速傅里叶变换方法产生了Kolmogorov湍流理论的相位屏,并采用低频谐波补偿方法,从而改善相位屏的低频统计特性。然后,基于所产生的相位屏,采用分步传播方法对准直高斯光束通过Kolmogorov大气湍流进行了数值仿真,通过仿真得到了穿过大气湍流后的光强和相位分布,这对于大气激光通信,特别是研究光束在湍流中传播时的湍流效应有着不可忽视的指导意义和参考价值。     

不同发射系统遮拦比光束扩展实验数值分析

在不同发射系统遮拦比的条件下，对聚焦光束湍流大气水平传输的光束扩展进行了实验测量，并与数值结果作了对比分析，得到了适于实际工程应用的聚焦光束不同遮拦比条件下的光束扩展与湍流效应特征参量的定标关系。     

利用LOWTRAN7研究1.06 μm激光大气传输特性

激光在大气中的传输特性是影响激光武器技术指标的重要因素。激光在大气中传输时，会受到气体分子和气溶胶粒子、尘埃、雾、雨等对激光信号的吸收和散射，导致激光信号能量的衰减；此外，还受大气湍流的影响。利用国际公认的大气传输特性仿真软件包LOWTRAN7，计算分析了1．06μm激光在多种条件下的传输特性，计算结果对今后进一步开展激光武器技术的研究具有一定的指导意义。     

激光束在大气中的传播特性研究

激光大气传输特性是研究激光在通过大气传播的过程中,大气与激光相互作用产生的一系列线性与非线性效应以及这些效应对激光传输的影响。文章基于正的共焦非稳定谐振腔的激光场,采用快速傅里叶变换（FFT）等方法研究激光光束在大气中的传播特性,分析了强激光器如二氧化碳激光器在大气传输中产生的一些线性光学效应,并在只考虑大气折射、大气分子吸收等对激光光束的影响下,求出了激光光束在大气中的偏移、光束的扩展和光束质量等,进而利用β参数和Strehl比来评价高能激光器的光束质量特性,给出了这两个参数随着最高能量变化的图形。     

大气湍流下无线光通信信道性能研究

无线光通信中大气湍流导致光信号在传输中产生光强起伏等现象,其影响成为无线光通信普及的一大障碍．基于大气湍流不同光强起伏信道模型,分别建立了弱、中及强湍流信道的中断概率与平均信道容量数学统计模型,研究了大气折射率结构常数和传输距离对湍流信道可靠性的影响．仿真结果表明,归一化闽值信噪比和通信距离的增加导致通信系统性能劣化．平均信道容量随着湍流强度的增大而降低,且随着接收机平均电信噪比增大,弱湍流下的信道容量增长速度明显大于强湍流．     

脉冲激光在3种大气模型下传输的热晕与湍流效应研究

基于中纬度地区夏季、冬季、热带地区3种大气模型下的实验数据,通过最小二乘法拟合,分别得到了大气的吸收系数随海拔高度变化的函数式,建立了序列脉冲激光在地对空传输的热晕和湍流效应模型,编写了四维程序.通过数值分析的方法,定量地研究了这3种大气模型下的热晕和湍流综合效应.结果显示:高功率脉冲激光束在热带地区传输的热晕和湍流效应比中纬度地区强烈;脉冲激光在夏季传输的热晕和湍流效应要比冬季强烈.     

弱湍流环境下基于OFDM的大气激光通信系统性能分析

大气激光通信作为一种新型无线接入方式备受关注,但是大气中存在的湍流效应会使系统信道不稳定,对传输性能产生影响。为了充分发挥大气激光通信的优势,提高传输速率,改善系统性能,将OFDM技术与大气激光通信相结合并建立OFDM系统仿真模型,分析在弱湍流环境下不同子载波调制方式、不同子载波数以及不同循环前缀长度等因素对OFDM系统误码性能的影响,为OFDM在大气激光通信系统中的应用提供了合理的参数选择依据。     

大气相干长度测量实验与分析

大气相干长度是对大气湍流介质进行定量描述的重要参量之一。介绍光强闪烁法和到达角起伏方差法反演大气相干长度两种不同测量方法。在相距893m的水平路径上进行激光大气传输实验,每隔10分钟对数据进行采样,计算出光强闪烁指数和到达角起伏方差。在弱湍流情况下,利用光强闪烁指数和达到角起伏方差反演大气相干长度。实验结果表明两种测量方法存在一定差异,但总体趋势保持一致,但秋季与夏季的趋势不一致,并对两种测量方式产生误差的原因进行了分析。     

雾霾天气下DAML空间相干光通信系统的研究

大气湍流引起的折射率起伏会导致光信号的振幅和相位发生随机波动,同时日益严重的城市雾霾现象带来的系统性能降低问题也不可忽视.基于湍流相位波动和激光器相位噪声的缓慢时变特性,本文提出了将DAML相位估计算法应用到空间相干光通信系统中来提高系统性能,并推导了在大气湍流、激光器相位噪声以及各种天气状况衰减效应影响下,针对DQPSK信号的DAML相位估计系统的误码率,最后重点分析了在雾、霾天气条件下该系统的传输距离限制和波长选择特性.仿真结果表明:湍流相位波动造成的信噪比损失低于0.1 d B;在雾和霾天气下,相较于传统的OOK IM/DD FSO通信系统,DAML相位估计系统在不同的大气湍流环境中至少有500 m的传输距离优势;在霾和薄雾天气,传输波长为1 550 nm的DAML系统比波长为850 nm的系统的性能更优,但在能见度低于200 m的浓雾天气,系统性能基本与波长选择无关.     

各向异性大气湍流中涡旋Lommel光束传输特性

为了更有效地减小光波大气传输中湍流的影响,探索减缓湍流效应的措施,基于涡旋光束和大气湍流中光传输的马尔科夫近似理论,应用将涡旋光束分解为柱坐标中螺旋谐波叠加的方法,推导得到无衍射洛默尔涡旋光束在考虑内外尺度的各向异性非科尔莫戈罗夫大气湍流中传输的接收功率和串扰功率模型．分析了洛默尔光束在不同强度和不同程度各向异性湍流中传输时波束参量和湍流参量对不同轨道角动量模光束的接收功率和串扰功率的影响．结果表明,随着湍流各向异性程度的增加,各个轨道角动量模的接收功率增大,串扰功率减小．非科尔莫戈罗夫谱幂指数的变化对接收功率和串扰功率的影响较大,且洛默尔光束形状接近于圆对称模式时能更好地减缓湍流的影响．理论推导表明,在各向异性大气湍流中洛默尔光束的传输性能要优于多汉克-贝塞尔及拉盖尔-高斯涡旋光束．     

Science and technology of atmospheric effects on optical engineering:Progress in 3rd quinquennium of 21st century

Brief introduction with remarks is given for recent work in optical properties of turbulent and turbid atmospheres and their effects on optical engineering. Emphasis about turbulence investigation is paid on spatial structure characteristics of optical turbulence,turbulence profiling with lidar technology, and turbulence prediction based on mesoscale atmospheric model. Discussion of turbid atmosphere study is focused on light scattering by non-spherical aerosol particles, high resolution atmospheric transmittance from solar radiation measurement, total sky imaging with high spectral resolution, and the modulation transfer function of a turbid medium. Key points about light propagation through turbulence include non-Kolmogorov turbulence effects, probability distribution models of scintillation, and combined beam propagation. Atmospheric effects on quantum communication are discussed, and statistical characteristics of atmospheric effects on optical engineering are introduced.     

考虑APD的部分相干光OFDM-UWOC系统性能

对于实际的水下无线光通信系统,系统误码性能主要受到海洋湍流和接收机噪声的制约。考虑散粒噪声和热噪声的影响,对弱海洋湍流环境下基于雪崩光电二极管的部分相干光辅助OFDM-UWOC系统的误码性能进行了分析。研究中利用波束扩展函数建立了吸收、散射、未对准和海洋湍流共同影响下的聚合信道衰落模型,进而分别导出不同噪声限制下的系统平均误码率理论表达式。受散粒噪声限制时,研究了接收机噪声温度、平均接收光强及雪崩光电二极管雪崩增益值的大小对系统可靠性的影响;受热噪声限制时,给出了部分相干光特征参数和海洋湍流特性参数对该系统可靠性的影响。结果表明,对于雪崩光电二极管而言,接收机温度和平均接收光强大小都会在一定程度上影响系统误码性能。因此,通过选择合适的雪崩光电二极管雪崩增益值,能够在一定程度上提升该OFDM-UWOC系统的误码性能。此外,部分相干光和海洋湍流的变化会对系统的误码性能产生影响。     

具有轨道角动量的涡旋光束在非均匀大气湍流中的传输特性

基于拓展的惠更斯–菲涅尔原理、维格纳分布函数的二阶矩定义,研究涡旋光束（l=1）在非均匀大气湍流中的传输特性,推导出其 M2因子及光束扩展表达式,并进行数值模拟。结果表明,初始空间相干长度、束腰半径、光束波长、天顶角以及湍流内尺度对光束传输有较大影响。在一定范围内,减小相干长度、天顶角、束腰半径,增大波长或湍流内尺度,均能有效提高光束传输质量。相较于电磁–高斯谢尔模型阵列光束、部分相干空心光束,具有轨道角动量的涡旋光束受大气湍流的影响更小,更有利于信息的有效传递。在自由空间光通信（FSO）中,采用电磁高斯涡旋光束,具有更高的稳定性。     

大气湍流引发图像畸变的校正研究

用CCD (电荷耦合器件)拍摄远距离目标时,大气湍流使得图像发生畸变,导致CCD无法有效的用于远距离目标的识别与监控。由此该文分析了大气湍流的原理及对图像的主要影响,提出了克服大气湍流影响的有效方法,实验证明,取得较好的效果。     

Rytov近似法在闪烁效应中的应用与改进

利用Rytov近似法和湍流大气中高斯波束的传输理论,针对湍流大气中水平传输的主动探测激光,建立了其单程传输到达目标端接收平面的闪烁指数模型,对模型进行改进使其适用于强湍流的大气条件,并对数值仿真的结果进行实验验证。结果表明,改进后的模型更符合实际传输情况,传输距离、湍流强度等因素都会影响闪烁指数的变化,数值模拟与实验测量的结果在变化趋势上有较好的吻合。但由于系统本地噪声、探测器散粒噪声和背景噪声等随机因素的存在,使实测结果略大于数值模拟结果。