湍流大气中传输光波的波相位结构解析函数

在湍流大气对传输光波调制的双尺度湍涡(大尺度湍涡和小尺度湍涡)近似下,研究了用于计算描述湍流大气中传输光波相干长度变化的核心函数(互相干函数)的关键因子波结构函数(WSF),通过建立包含不同尺度湍流因子的折射率起伏谱密度函数,导出了可以用于精确理论分析平面波与球面波在湍流大气中传播时所产生的诸如到达角起伏和相干性变化等效应的波相位结构函数的精确解析式,同时给出了便于数值计算的近似误差在2%范围以内的波相位结构函数的精确渐近表达式。     

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。     

湍流外尺度对光闪烁孔径平滑的影响

基于包含湍流内、外尺度和高波数跃变的变形Andrews折射率谱从理论上分析了平面和球面波大气闪烁孔径平滑效应,得出了弱湍流起伏区无限平面波闪烁平滑因子解析关系和球面波孔径平滑因子内插关系.结果表明,在分析孔径平滑效应时应该考虑湍流外尺度的影响.作者采用变形Andrews折射率模型所得结果与采用Kolmogorov谱计算值间有明显差别.     

近地面湍流大气中激光传输的光强闪烁分析

光学湍流对激光的大气传榆有着重要的影响,其中光强闪烁是湍流效应中最基本也是最重要的一个效应,一直是一个十分令人关注的问题.在处理激光在湍流大气中传输的光强闪烁效应时,认为光强闪烁是由大尺度光强起伏对小尺度光强起伏的调制,并对其调制过程进行了讨论.基于光强闪烁的调制理论,对近地面典型条件下激光大气传输的光强闪烁指数及其影响因素进行了分析.     

二种湍流大气光束短期扩展理论的比较

通过数值计算斜程大气路径上传输光束的束径短期湍流扩展,比较了由基于广义韦更斯,菲涅耳衍射理论导出的光束短期湍流扩展半径Yura理论与建立在大尺度湍涡主要产生传输光束偏折(光束抖动)和小尺度湍涡主要导致光束扩展等假设基础上的Fante光束短期湍流扩展半径理论间的差异,分析指出Yura理论与Fante理论在不同传输备件下所反映出光束短期扩展的总体规律是一致的,但是在光束扩展增长的趋势、扩展半径与发射散束径间函数等关系细节上存在着较大差异.     

基于涡结构的气动光学传输效应研究

湍流是具有多尺度特征的一种涡结构运动,而且大尺度涡结构是造成气动光学传输效应的主要原因.提出基于折射率场分别对不同尺度的涡结构进行光学传输特性建模.把湍流密度场转换为的折射率场等效为具有丰富纹理信息的灰度图像,进而对其进行多小波分解,计算每次分解的小波基系数的熵值,利用阈值判定低熵的为大尺度涡,高熵的为小尺度涡;再利用光线追迹法建立大尺度涡结构的光学传输模型,利用统计光学法建立小尺度涡结构的传输模型,最后得到综合的光学传输模型.该方法是根据湍流的物理结构进行建模,不仅能提高计算效率和计算精度,而且具有较高的工程实用价值.     

相位不连续点数与湍流效应特征参数的关系

利用激光大气传输四维程序对激光在大气中传输时产生的相位不连续点的数目进行了数值计算.计算结果表明,相位不连续点的数目不仅与描述光强起伏量的大气湍流强度、传输路径长度和传输光的波长有关,而且还与湍流的内尺度有关.另外,通过对湍流较弱但传输路径较长的强闪烁条件下畸变光场中出现的相位不连续点数目的计算发现,当湍流效应达到一定程度时,相位不连续点的数目有达到饱和的趋势.     

长距离光传播路径中大气相干长度的测量研究

基于大口径闪烁法和差分到达角起伏法开展了间距为3.95 km近水平路径的大气相干长度测量实验。测量结果表明:在同路径的上下行光传播方向上,闪烁法测量相干长度的相关系数为0.94,而到达角起伏法测量相干长度的相关系数为0.79。路径权重的理论分析揭示了闪烁法对路径中部的湍涡敏感,且路径权重函数关于路径中部呈对称分布;到达角起伏法对接收端附近的湍涡敏感,其路径权重函数从发射端到接收端呈单调递增趋势。因此,实际的长距离光传输实验中,在不能确定路径中湍流强度分布的情况下,采用闪烁法测量路径上的湍流效应更适宜。     

湍流大气外尺度对波束地-空传播闪烁影响研究

根据在中度和强湍流大气条件下引入空间频率滤波函数的修正Rytov方法,从理论上给出了地-空斜程路径上从弱到强起伏下包含湍流内、外尺度效应的激光高斯波束闪烁指数模型.该模型在相应的条件下分别可转变为波束波水平视距路径传播的闪烁模型和平面、球面波的闪烁指数模型.应用该模型,分析了湍流内、外尺度对波束波地-空路径传播时闪烁指数的影响.结果表明,在中度起伏条件下,内尺度对闪烁的影响是相当显著的,而外尺度的影响较小;从中到强起伏区,随着湍流强度的增加或传播距离的增加,外尺度影响逐渐的增大;在强起伏区,外尺度的影响已达到与内尺度影响具有同样的程度.因此,对于光波束在较强湍流中传播或在大气中传播路径较长时,对光波束闪烁预测不但要考虑内尺度效应,而且也要考虑外尺度效应.     

基于Shack-Hartmann波前传感器的湍流大气光闪烁测量

根据CCD探测器的输出信号在动态测量范围内与入射光通量成线性的特点,提出了将Shack-Hartmann波前传感器用于湍流大气光闪烁效应测量的方法,并在1 km的水平湍流大气传输路径上开展了光强闪烁的初步测量.结果表明,测量的光强起伏方差随时间的变化基本符合近地面湍流起伏特征,在统计光强起伏过程中采用了将时间和空间序列的数据相融合的方法,大大增加了统计样本数;将传感器与大口径闪烁仪测量的折射率结构常数进行了对比,发现两者在变化趋势上具有较好的一致性,相关系数达到0.84;最后,通过不同子孔径内光强起伏的功率谱分析,进一步证明了Shack-Hanmann传感器用于光闪烁效应测量的可靠性.     

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。     

Electromagnetic beam propagation in turbulent media

The most recent developments on the propagation of optical beams in a turbulent medium, such as the clear atmosphere, are reviewed. Among the phenomena considered are beam spreading, beam wander, loss of coherence, scintillations, angle-of-arrival variations, and short-pulse effects.     

空间光通信的时间平滑实验研究

为了给空间光通信的瞄准捕获跟踪链路的设计提供参考,实验研究了强湍流区的大气闪烁时间平滑效应,并考虑大气闪烁和瞄准抖动误差,分析了空间光通信的跟瞄链路的强度起伏统计规律;在此基础上,分析了时间平滑对链路衰落起伏的改善作用.实验研究结果表明,随着曝光时间的增加,强湍流区的大气闪烁起伏幅度减小,当曝光时间达到几十毫秒时,强湍流区的大气闪烁起伏服从对数正态分布;在确保空间光通信系统的链路跟踪中断概率小于10-3以下,采用时间平滑可以使所需的衰落冗余减少15dB～20dB.     

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.     

Some new results on propagation of electromagnetic waves in strongly turbulent media

New results for the covariance of the intensity fluctuations of a plane wave propagating in a strongly turbulent medium are presented, and the consequences of these new results on aperture averaging, angle of arrival fluctuations, and the temporal frequency spectrum of the intensity scintillations are evaluated. The differences between the strong turbulence and weak turbulence cases are generally quite significant.     

大气信道下窄线宽激光器对相干通信系统性能影响研究

在空间下行相干激光通信系统中,激光器的线宽大小会影响通信系统的性能,而窄线宽激光器能有效降低激光器线宽引起的激光器相位噪声,目前已经成为相干激光通信系统的首选。光信号在大气信道传输时,大气湍流会引起光信号强度和相位的波动,从而进一步影响系统的通信性能。针对上述问题,基于四相移键控(Quadri Phase Shift Keying, QPSK)通信系统的工作原理,进一步考虑窄线宽激光器线宽和大气湍流引起的光信号强度和相位的波动,给出了空间下行QPSK通信系统误码率模型。并基于该模型,数值仿真分析了窄线宽激光器对空间下行相干激光通信系统性能的影响。结果表明：大气湍流不仅严重影响系统性能,也会弱化激光器线宽对系统性能的影响。而对于大气湍流影响而言,其引起的相位波动要大于光强波动的影响。此外,随着通信速率增大,激光器线宽对于系统性能影响也会随之降低。文中对于空间下行相干激光通信系统的优化设计和调试具有一定的实际参考意义。     

Analysis of asymptotic theory of differential phase millimeter-wave scintillations in the oxygen absorption region

This paper presents a model for dual frequency differential phase scintillations for a plane wave propagating through a turbulent medium characterized by a complex refractive index. In contrast to the predicted enhancement of the low-frequency portion of the amplitude spectrum by absorption fluctuations, our theoretical model predicts that the absorption mechanism has virtually no significant effect on the absolute phase spectrum, but can enhance the differential phase spectrum at intermediate frequencies when the propagation frequencies are very close. The effect of turbulence scale size is also analyzed. Experimental differential phase spectra agree well with the theoretical models presented here.