湍流对激光吸收光谱信号的影响及改善方法研究

为了解决可调谐激光二极管吸收光谱气体传感器在开放光路气体测量中,激光吸收光谱信号受到大气湍流的影响,使光谱信号幅度随大气湍流的波动而改变造成获取的气体吸收光谱信号形状发生畸变问题,改善湍流对激光吸收光谱信号的影响,提高信号检测灵敏度,采用改变激光波长扫描频率的办法进行了理论分析和实验验证,当激光波长扫描频率为2kHz时,吸收光谱相邻周期间的信号均方误差小于0.1。结果表明,该方法可以有效地改善激光吸收光谱信号受大气湍流的影响。     

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。     

大气湍流对相干激光雷达CO2探测精度影响研究

为研究大气湍流对激光回波的光强起伏、漂 移、波前畸变以及偏振退化的影响,计算了大气后向散射回波在不同探测高度下的信噪比 (SNR),结合Hufnagel-Valley模型 分析了球面波大气闪烁调制因子,得到了近地大气光强起伏方差;利用模式匹配数值积分方 法,得到了不同高度的空间 光-单模光纤(SMF)的耦合效率;从光场复振幅和探测面上光斑的爱里斑模型出发,研究了 空间相位起伏对外差效率的影响;最 后基于20m气体池差分吸收探测CO₂浓度的实验数据,分析大气 湍流对外场实验影响。结果表明,大 气湍流会使系统精度降低1.21倍,20m光程下系统精度由424.83×10－6变为514. 04×10－6,性能下降严重。本文所作的分析对差分吸收相干激光雷 达(DIAL)外场实验有重要参考意义。     

基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量仪设计

对基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量系统进行了研究,系统利用脉冲激光在测量区域大气层内不同高度形成信标星,以此测量地面至信标星之间的大气湍流信息。本文在分析瑞利激光导星湍流廓线测试的原理和系统组成基础上,对系统关键参数进行了优化选取,并设计了激光发射系统和差分像移接收系统,最后对系统性能进行评估。结果表明:系统可对地面高度0.2~10 km范围内的大气进行湍流廓线测量,该技术在地基天文观测、星地激光通信、地基激光武器领域具有重要的应用价值。     

涡旋光束在大气湍流传输中光束质量分析

利用广义惠更斯-菲涅尔原理和维格纳分布函数(W DF)的二阶矩定义,导出高斯谢尔模型(GSM)涡旋 光束(拓扑荷数m=±1)与非涡旋光束在大气湍流和自由空间传输中光束传输 因子(M²因子)和角扩展的解析表达式, 并研究了大气湍流参数和光束参数对光束质量的影响。结果表明,GSM涡旋 光束在大气湍流中传输时,传 输距离z越小、结构常量C²_n越小、湍流内尺度l₀越大、空间相干长 度σ₀越小和波长λ越大时,归一化M²和归一化角扩展越小,受大气湍流影响越小,光束质量越好;与非涡旋光束相比涡 旋光束更合适 在大气湍流传输,更适合应用于大气激光通信。本文研究工作可为自由空间光通信和激光武 器等实际应用提供理论基础和实验依据。     

大气湍流对复杂路径下光强起伏及误码率的影响

对复杂地形情况下实际湍流大气中的激光强度起伏进行系统研究,发现了在此情况下实际湍流大气中的激光光强起伏在概率密度分布与理论上偏离很大,而由大气湍流引起的光强起伏和系统误码率的关系,结果表明:在弱起伏条件下,对于系统误码率为10-9以下的要求,光强起伏应小于0.67;随着湍流强度Cn2的增大,误码率增加很快;采用长波长的激光进行传输可以有效地降低系统误码率.     

大气激光通信系统中频域解卷积抑制乘性噪声的研究

大气湍流引起的乘性噪声会导致大气激光通信链路性能的恶化,引起误码率增加.在Gamma-Gamma湍流信道模型下,采用频域解卷积滤除4PSK调制大气激光通信系统中的乘性噪声.通过计算机仿真对4PSK大气激光通信系统的星座图和误码率进行分析,结果表明在不同天气条件下采用频域解卷积可以滤除系统的乘性噪声,有效地抑制了大气湍流对大气激光通信系统的影响,减小了大气激光通信系统的误码率.     

舰载激光通信中大气对激光远场光强分布的影响

在舰载激光通信系统中,激光远场光强分布对系统通信质量的提高具有重要影响。利用所建立的激光远场光强分布模型和1.06 μm激光大气传输特性,研究了大气能见度对激光远场光强分布的影响。结果表明：在不考虑大气湍流影响的条件下,能见度越高,光强衰减越小;在只考虑大气湍流影响的条件下,传输激光的波长,大气折射率结构常数,对激光远场光强分布具有重要影响。     

长光程大气湍流发生装置的设计与性能测试

温度场起伏导致空气折射率的起伏,风速的变化影响湍流的动态特性,从而形成光学湍流效应,对大气激光传输产生影响。研制了一种用于研究激光大气传输效应的Herriott长光程大气湍流发生装置,此装置能模拟出温度差范围为10~200℃,风速范围为0~5.8 m/s以及光程为1~100 m的随机大气湍流。分析并测量了在不同温度、风速参数下该装置对激光传输的光束质量影响。实验结果表明,该大气湍流发生装置的性能指标与实际大气湍流性能较为接近,且具有温度范围宽、光程可调、重复性好、准确度高等优点,能够满足大气传输湍流效应的实验要求。     

基于深度神经网络的大气湍流压缩波前探测

压缩感知技术用于光学波前测量时，常规的斜率恢复方法精度较低，难以测量大气湍流引起的复杂波前，本文利用深度神经网络进行斜率恢复，提高斜率恢复精度，从而提高压缩波前探测方法测量大气湍流波前的精度。传统的压缩波前探测方法在稀疏化过程中忽略相对较小的斜率值，导致波前测量误差的增加。为了快速测量大气湍流引起的复杂波前，本文提出了一种深度神经网络，可以高精度地恢复斜率，从而提高了波前重构的精度。在压缩比为0.1～0.9情况下，基于深度神经网络的压缩波前探测算法（DNNCWS）的波前重构误差PV优于0.014μm，算法的运行时间为4.4 ms。在暗弱星等情况下，残差波前的峰谷值（PV）优于0.011μm。模拟结果表明，DNNCWS具有良好的抗噪声性能。深度神经网络DNNCWS提高了压缩波前的探测精度，可以用于测量大气湍流引起的复杂像差，还可用于其他自适应光学应用，如激光通信和视网膜成像。     

基于数字激光散斑图像的位移测量的多层平截算法

通过对数字激光散斑图像特性的分析及其位移测量法的研究，给出了一种利用激光散斑图像进行位移测量的多层平截算法。该算法把数字激光散斑图像的灰度看作三维空间的高度，用不同高度的水平面平截散斑图得到截值点，分析物体发生位移前后的散斑图像上截值点，由截值点相互位置的概率分布计算出物体的实际位移。改进后的多层平截算法可较大的节省测量所需的散斑图像面积，且能测量亚pixel级的位移。实验表明，该多层平截算法是一种实用、速度快及精度高的位移和变形测量方法。     

海洋大气湍流对激光通信系统性能的影响分析

大气湍流引起光波强度在光束截面内的闪烁,降低了激光通信系统的信噪比.应用基于Rytov近似的激光大气传输光强起伏理论模型,在局地均匀各向同性Kolmogolov湍流谱的假设条件下,对大气湍流引起的光强起伏进行了分析.并从信号检测理论出发,将大气湍流与激光通信系统误码率指标相结合.分析结果表明,在典型的海洋大气湍流环境下,以误码率指标衡量,随着C2n的增加,激光通信系统的有效作用距离大大缩短,当C2n达到5×10-15m-2/3时,通信的有效距离不足2 km,当C2n达到3×10-14m-2/3时,通信的有效距离降至1 km以下.     

部分相干光束在大气湍流中传输的散斑特性

光束在大气湍流中传输时,大气湍流效应对光束进行强度和相位的随机调制,最终在远场处形成散斑。以部分相干高斯-谢尔模型（Gaussian-Schell Model,GSM）光束为研究对象,根据广义的Huygens-Fresnel原理、修正Von Karman谱模型,推导了GSM光束在大气湍流中传输时接收端光束的有效半径和平均散斑半径的表达式。利用数值计算对比分析光源相关参数和大气湍流对光束有效半径和平均散斑半径的影响。研究表明:光束的初始束腰半径越大、相干长度越小以及波长越小时,接收端光束的有效半径和平均散斑半径受湍流的影响越小;大气折射率结构常数越大,光束扩展越严重,此时平均散斑半径越小;光束有效半径和平均散斑半径随湍流外尺度增大几乎无变化,随湍流内尺度的增大而减小。所得出的结论对无线激光通信系统中光束的捕获、对准与跟踪（Acquisition,Pointing and Tracking,APT）系统的设计提供一个重要的参考价值。     

自适应光学技术提高FSO性能的实验验证

搭建了一套37单元的自适应光学系统和155M/2.5G大气激光通信系统室内实验平台。结果显示:大气湍流对激光通信性能影响很大。使用芯径为62.5μm的多模接收光纤时,自适应开闭环误码率最大改善超过4个数量级;使用芯径为10μm的单模接收光纤时,可以很明显地观测到接收端信号的深度衰落现象,且衰落程度与误码率一一对应。自适应光学闭环后,深度衰落得到了抑制,也极大地降低了系统误码率。     

激光远场直接探测系统探测器阵列靶板的设计

设计了一种激光远场直接探测系统,对系统中的两个关键问题进行了讨论,一、在探测 器阵列靶板尺寸的确定问题上讨论了激光的衍射效应和大气湍流的影响;二、在探测器阵列靶板分辨率的确定问题上讨论了激光的衍射效应和大气湍流的影响;对第二问题讨论了对其有影响的三个方面:大气湍流引起激光碎斑尺寸,由采样定理决定的空间采样率,由阵列探测器的频谱函数引起的损失。这些影响都是在设计时必须予以充分考虑的因素。     

斜程大气湍流中成像系统分辨率的影响因素研究

大气湍流是影响光学成像系统分辨率不可避免的因素之一。为了研究大气湍流内外尺度、湍流轮廓线及探测高度对光学成像系统分辨率的影响,根据光学成像系统积分分辨率理论及修正Von Karman湍流谱,推导了斜程传输路径下考虑湍流内、外尺度的光学成像系统的分辨率积分公式。数值计算中应用ITU-R公布的随高度变化的大气折射率结构常数模型,结果表明:湍流内尺度对光学成像系统分辨率的影响要远小于湍流外尺度对分辨率的影响,而湍流内尺度又限制着外尺度对光学成像系统分辨率的影响;斜程传输时,湍流轮廓线的影响大于外尺度对积分分辨率的影响;光学成像系统分辨率在近地面受近地面大气结构常数的影响大,而当高度大于5 000 m时,光学成像系统分辨率受风速的影响大。     

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...     

大气相干长度测量信标自动跟踪系统

大气相干长度是研究大气湍流强度、激光大气传输以及自适应光学的重要参量之一.整层或有限距离相干长度的测量大多是以恒星、高空气球中光目标等作为信标光源的.一般依靠轨道跟踪或手动跟踪,跟踪能力差,测量时操作不便.为此研制了一套信标自动跟踪测量系统,可以实现各种不同条件下大气相干长度的自动跟踪观测,从而大大提高了测量性能.     

基于大气湍流传输激光散斑的真随机数提取研究

为生成真随机数序列,提出了先将大气湍流传输中激光散斑图像作为随机数发生器的熵源,再采用变帧频采样方法进行提取随机数的算法。首先,为降低相邻激光散斑图像间高相关性对随机性的影响,提出了变帧频采样方法。其次,对实验数据进行处理,根据大气湍流造成激光光斑质心的随机抖动特征,对散斑图像划分灰度等级,编码和后处理等操作,从而提取随机数。最后,利用NIST测试工具对提取的随机序列进行实验分析,结果表明:该序列不仅达到真随机数的标准,而且序列的数量和随机性均高于等帧频采样方法生成的随机序列。此外,对激光散斑视频归一化方差与最优采样区间之间的关系进行分析,为进一步的研究提供重要依据。