偏振部分相干激光斜程湍流大气传输的漂移扩展

采用光场的一阶矩和二阶矩作为评价参数,研究了偏振部分相干激光波束在斜程湍流大气传输中的漂移效应和扩展效应。根据推广的惠更斯-菲涅耳原理,以椭圆偏振部分相干激光波束为研究对象,推导了斜程传输情况下波束的重心坐标、扩展半径和扩展角的表达式,数值分析了偏振波束两正交分量的相位差、方向角、波长、初始束腰半径和接收机高度对波束漂移及扩展的影响。结果表明,在确定的斜程传输距离和接收机高度下,随着偏振波束两正交分量相位差的增大,漂移效应先增大后减小,在确定的斜程传输距离下,接收机高度越高,波束的漂移效应和扩展效应越小。     

偏振部分相干激光在大气传输中的退偏特性

基于广义Huygens-Fresnel原理,利用Collins公式,讨论了偏振部分相干激光波束在湍流大气中传输的交叉谱密度函数,推导出经过偏振后的高斯-谢尔模型光束(GSM)在外场不同距离水平传输时波束偏振度的解析表达式。对偏振激光在大气湍流中传输时光束的退偏变化进行数值仿真,得到相同传输距离下,不同的偏振角和初始束腰宽度对光束偏振度的影响;同时分析了不同波长激光的退偏现象以及相同的偏振角度下,不同的初始束腰宽度对波束偏振度的影响。研究结果表明,不同的偏振角对波束的退偏不产生影响;波长越大,波束在大气湍流中传输出现退偏的现象越迟缓;初始束腰越大,大气湍流对波束的退偏影响越快。由此得出:偏振部分相干激光波束比部分相干激光波束在大气湍流中传输的退偏变化更具有规律性和稳定性,退偏现象表现得更加持久,并且初始束腰宽度的变化对偏振部分相干激光偏振度产生影响,但对部分相干波束偏振度的变化几乎不产生任何影响。     

湍流大气激光传输数值模拟

介绍了大气湍流的统计特性、基本模型.利用SVS-Fortran的Ran(I)产生的随机数序列作为随机变量,客观地描述实际大气湍流的随机过程,经快速傅里叶变换和滤波建立了替代水平湍流大气的等效模型,并根据大气折射率功率密度谱的卡尔曼谱模型,采用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分算法,通过快速傅里叶变换(FFT)和逆变换(IFFT)实现激光的湍流大气传输过程的模拟.结果表明,随机相位屏产生的附加相位反映了大气结构参数的性能,验证了模型的正确性.     

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。     

激光大气传输湍流与热晕综合效应

讨论了激光大气传输时的湍流与热晕综合效应问题.提出了根据湍流效应对热晕经验公式进行修正的处理方法,其物理基础是在湍流效应较明显的情况下,由相干距离决定的湍流Fresnel衍射参数远小于由发射口径决定的Fresnel衍射参数时,小尺度热晕的影响超过整束热晕占主导地位.将修正的经验公式与基于数值计算的定标公式相比较,结果令人满意.     

大气湍流对激光传输的影响

为了研究大气湍流对激光传输的影响,以大气湍流的激光传输效应为基础,建立了激光到达接收面的光强分布模型.模型考虑了折射率结构常数、传输距离、发射面和接收面孔径以及湍流引起的光束展宽等参数,分析这些参数对接收面光强分布的影响,以此研究大气湍流对激光传输的影响,并提出降低湍流影响采取的措施.     

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。     

高斯束状波斜程传输的大气湍流效应

利用Ｍｅｌｉｎ变换技术,给出了弱起伏范围内Ｇａｕｓｓ准直光束的对数据幅起伏方差,波束扩展半径和漂移角方差的表达式,利用昆明实测的近地层大气湍流强度的高度分布,计算了多种靶标高度斜程传输情况下波束的对数据幅起伏方差,扩展半径和漂移角。     

斜程湍流大气光通信信道的单光子轨道角动量

研究了基于单光子轨道角动量技术的量子光通信系统的大气湍流效应,动用Rytov近似和修正von Kamm折射率起伏谱,建立了单光子轨道角动量斜程湍流大气通信信道中轨道角动量l的测量概率理论模型。本文同时给出了量子信道的单光子轨道角动量平均值l=〈l〉的计算关系。     

大气湍流中激光波束斜程传输的展宽、漂移特性

根据推广的Huygens-Fresnel原理推导了不同接收机高度斜程传输情况下波束的扩展半径.同时结合Mellin变换,导出了考虑外尺度情况下准直激光波束漂移方差模型,可以退化到不考虑外尺度时漂移方差.数值计算中应用ITU-R公布的随高度变化的大气结构常数模型,结果表明,斜程大气湍流中波束的漂移方差、扩展半径依赖于接收机高度和初始波束半宽.随仰角的增加,波束的有效半径和漂移方差不断减小;累积效应斜程传输波束受大气湍流的影响比水平传输要小得多.     

湍流大气中激光回波到达角起伏

本文运用几何光学近似,导出了湍流大气中束状反射回波的到达角起伏表达式.结果表明:当准直光束和聚焦于反射器的光束照明后向反射器时,回波不存在到达角起伏,而当准直光束照明平面反射器时,到达角起伏是相同条件下视线大气传输光束到达角起伏的一倍.     

湍流大气中光波闪烁的斜程问题研究

根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU－R湍流大气结构常数模型，将水平传输的修正Rytov方法扩展到了斜程传输问题中。在零内尺度湍流谱模型下，得到了平面波入射时从弱起伏湍流区到强起伏湍流区闪烁指数随斜程Rytov方差的变化规律，最后讨论了闪烁指数随天顶角的变化情况。     

湍流大气中部分相干波束的偏振特性研究

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,计算了部分相干高斯谢尔模型 (Gaussian-Schell Model, GSM) 光束在湍流大气中传输的交叉谱密度矩阵(Cross-Spectral Density Matrix, CSDM). 假设发射机发出的波束为椭圆偏振光,由CSPM中的各元素来表示的斯托克斯参数得到了湍流中光束的偏振度(Degree of Polarization,DoP),并给出了椭圆率的表达式. 通过Mueller矩阵研究了退偏理论,给出了描述波束退偏状态的退偏指数(Depolarization Index, DI)表达式. 数值分析结果表明:波束波长,源相干长度,初始光斑尺寸,传输距离及湍流强度都会对波束偏振度,椭圆率及退偏指数造成影响. 此研究可在大气光通信领域中应用.     

激光大气传输相位起伏分布

本文运用激光在湍流大气中传输散射光场的双随机过程统计模式,从理论上分析和讨论了激光束在湍流大气中传输经粗糙随机界面(或随机散射屏)反射回波的相位起伏统计分布问题,寻出了相位起伏一阶概率密度函数的理论公式。     

随机电磁光束在大气湍流中偏振态的变化

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,以随机电磁双曲 正弦高斯(ShG)光束作为典型的随机电磁光束, 推导出随机电磁ShG光束在大气湍流中交叉谱密度矩阵元的解析表达式,并用以研究了随机 电磁ShG光束 在大气湍流中轴上偏振度、方位角和椭圆率的变化。结果表明,随机电磁ShG光束在大气湍 流中轴上偏振 度、方位角、椭圆率的变化与结构常数、Sh部分参数、空间相关长度和传输距离有关。随着 结构常数的减 小,或Sh部分参数的增大,方位角θ发生跃变位置增大,偏振度P达到最小值 和椭圆率ε达到最大值的传输 距离增大。当传输距离较远时,Sh部分参数Ω₀对偏振度P、 方位角θ和椭圆率ε的影响可以忽略。该研究工 作可为随机电磁光束在自由空间光通信中偏振态的分析提供理论基础和实验依据。     

1.06μm激光的斜程大气衰减

根据大气透过率计算软件-CIRTRAN计算了乡村、城市、海洋和沙漠四类地区不同能见度条件下的1.06μm激光斜程大气透过率,经过分析和归纳,提出了一个直观而简便的计算公式.用三种不同的测量方法和LOWTRAN7作比较,证明该公式具有很好的准确度.     

大气湍流中激光瑞利区间的高度效应研究

根据大气湍流中激光传输的瑞利区间表达式和L.C.Andrews修正谱密度函数(M谱),采用不同的大气湍流强度高度模型,研究沿不同高度链路传输的激光瑞利区间的高度效应。结果表明,随着传输链路高度h的增加和地面附近的折射率结构参数A的减小,瑞利区间ZR逐步增加;不同的高度模型计算得出的瑞利区间的变化趋势基本一致。所得结果可为低空大气湍流中的激光通信提供参考。     

高斯涡旋光束在斜程大气湍流中的轨道角动量特性

本文基于广义惠更斯-菲涅尔原理和大气湍流理论模型,推导了高斯涡旋光束在non-Kolmogorov大气湍流中斜程传输的螺旋谱解析表达式和光强表达式,并数值模拟了涡旋光束传输后螺旋谱和光强的分布规律,分析了各光束参数和大气湍流对螺旋谱弥散的影响。研究结果表明：随着传输距离增大,螺旋谱弥散越强烈,在增大到一定距离时,各螺旋谱分量逐渐趋于均匀分布,光强逐渐呈高斯分布。增大光束的初始拓扑荷数和波长可有效减小传输后螺旋谱的弥散程度;当天顶角逐渐增大到π/2时,传输方式为水平传输,螺旋谱弥散程度显著增大;近地面折射率结构常数越大、湍流内尺度越小,螺旋谱弥散越严重,而湍流外尺度对螺旋谱的影响程度很小。