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。     

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.     

Remote probing of the optical strength of atmospheric turbulence and of wind velocity

A procedure for determining the optical strength of turbulence of the atmosphere and the wind velocity at various altitudes by measuring the spatial and temporal covariance of scintillation is developed. Emphasis is placed on the development of the formal relationships that have to be inverted to obtain the desired results. For determination of optical strength of turbulence, it is a linear integral equation that is developed. However, for determination of remote wind velocity, a nonlinear integral equation is obtained. A computer approach for solving each of the equations is suggested. The configuration and performance requirements of the measurement apparatus are discussed.     

Propagation and self-healing properties of Lommel-Gaussian beam through atmospheric turbulence

The superposition of basic non-diffracting beams triggered new research hotspots lately, laying opportunities for long-distance wireless optical communication. The Lommel-Gaussian (LMG) beam formed by the superposition of Bessel-Gaussian light not only possesses non-diffraction feature, but also has tunable symmetry. With the help of Poynting vector analysis, we observed a smaller radial energy flow component during the propagation of the high order symmetrical LMG beam, which allows it to maintain the original beam profile over long distance. Thanks to the energy oscillation of the mainlobe and sidelobes, the mainlobe blocked by the symmetrical LMG beam can be restored. Also, the random phase screen with angular spectrum method is used to describe the beam behaviors in turbulence. The results show that the symmetry LMG is preferred in free space optical communication, and the asymmetric LMG performs poorly due to asymmetric energy transfer.     

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。     

湍流大气中高斯波束地-空传播闪烁研究

根据光波波束传播理论及ITU-RC2n模型,应用在强起伏下引入空间滤波函数的修正Rytov方法,在零内尺度湍流谱模型下,得到了从弱到强起伏下的高斯波束激光在水平和地-空路径上闪烁指数随Rytov方差变化的模型.通过理论分析,该地-空路径传播的闪烁模型在一定条件下能退化到水平视距传播闪烁模型,也能分别退化到已有的平面和球面波的地-空和水平视距传播的闪烁模型.并通过数值分析,结果和理论分析结果一致.最后还讨论了闪烁指数随波束宽度和路径天顶角的变化情况.     

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.     

Numerical evaluation of the mutual coherence function of a laser beam in atmospheric turbulence

Using transport methods we have computed the mutual coherence function of a laser beam propagating in turbulence with a modified von Karman spectrum for the index of refraction fluctuations, including a parametric study of the effect of varying beam size, focal length, and the properties of the turbulence.     

部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中的展宽与漂移

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,交叉密度函数以及Rytov's 相位结构函数二次近似,利用傅里叶高斯变换推导出部分相干高斯-谢尔（GSM）光束在大气湍流中的强度分布表达式,并在此基础上分析了大气湍流对光束展宽、以及光束漂移的影响。数值模拟表明:光束展宽和光束漂移与光束的初始半径、波长、光源的相干宽度以及发射机的位置高度有关,并提出了减小湍流影响的措施。     

电磁反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的偏振特性

本文研究了部分相干电磁反常涡旋光束(PCEAVB)通过各向异性non-Kolmogorov大气湍流后的偏振度和偏振态的变化.研究结果表明,PCEAVB的偏振度分布为同心的圆环,而随着光束阶数n和拓扑荷数m的增大,同心圆环数逐渐增加,分布越密集.光束阶数n越高、拓扑荷数m越低,高偏振度分布区域越趋于中间区域;反之,则趋于...     

大气湍流信道中OAM光束与高斯光束传输性能的实验研究

通过实验研究了大气湍流信道下中轨道角动量（OAM）光束与高斯光束的传输性能,并将两种光束的传输性能进行对比。实验以加载调制信号的OAM光束以及高斯光束为传输载波,分别测量了在大气湍流信道下两种光束的光束展宽、指向偏差、功率抖动以及误码率。实验结果表明:在大气湍流信道中传输后,OAM光束相比高斯光束,光束展宽减少10.5%,功率抖动的方差下降0.13,指向偏差的散布圆直径减小30.4%,并且光束中心更集中于接收面中心;OAM光束载波系统的最低探测灵敏度达到?28.97 dBm,相比高斯光束提升2.5 dB。实验结果证明了在大气湍流信道传输中,OAM光束比高斯光束受到湍流的影响更小,并且随着湍流强度的增加,OAM光束恶化程度远小于高斯光束。实验的结论为大气湍流信道下自由空间激光通信的发展和应用提供了参考。     

径向阵列艾里涡旋光在倾斜大气湍流中的漂移特性北大核心CSCD

采用等Rytov指数间隔多相位屏法来模拟径向阵列艾里涡旋光束(RAAVB)沿倾斜路径通过大气湍流时的光斑质心漂移。对比并分析了拓扑荷、天顶角、湍流外尺度和涡旋离轴距离对光束漂移的影响。结果表明:光束在倾斜大气湍流中传播时,相同条件下,CAAVB的漂移现象比阵列艾里光束受湍流影响更小;相比于天顶角和湍流外尺度,拓扑荷对光束漂移现象影响更大,光束漂移随拓扑荷的增大而减小,随天顶角和湍流外尺度的增大而增大;离轴型RAAVB的漂移现象比轴上型更严重,且漂移随着涡旋离轴距离的增大而增大。     

部分相干光在大气湍流中的光束扩展及角扩展

基于广义惠更斯-菲涅耳原理、交叉谱密度函数,利用修正Von Karmon谱模型以及ITU-R颁布的大气折射率结构常数模型,推导出部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中传输时的束宽及角扩展表达式,讨论并对比斜程和水平两种传输方式下天顶角、传输距离、湍流强度、相干长度等参数对光束束宽与角扩展的影响,同时分别从相对束宽和相对角扩展的角度分析各种参数对于光束抑制湍流能力的影响,并给予相应的物理解释。结果表明:当天顶角小于 /3时,光束在斜程传输时的光束扩展和角扩展量接近于垂直传输,所受湍流影响很小。传输距离大于1 km时,束宽和相对束宽随传输距离的增加而明显增加。光束相干长度越大,光束所受湍流影响越大,而束宽及角扩展会随之减小。     

部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中的平均强度与展宽

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,交叉密度函数以及Rytov’s相位结构函数二次近似,利用傅里叶高斯变换推导出部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中的强度分布表达式,并在此基础上分析了大气湍流对角展宽、桶中功率以及光束漂移的影响。数值结果表明：角展宽和光束漂移与光束的初始半径、光源的相干长度有关;远场能量集中度随湍流强度增加、光源相干宽度减小而减小。     

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.     

湍流大气中部分相干光二阶统计特性的三参数模型及其应用

激光在强湍流中的传输以及斜程传输问题是随机介质波传播研究中的热点,也是难点。文中尝试建立一个可以在任意湍流环境下通用的激光传输二阶矩演化模型。首先利用广义惠更斯-菲涅尔原理及球面波结构函数的二次近似推导了高斯-谢尔波束在大气湍流中传输时的互相干函数表达式。建立了波束互相干函数的三参数模型,得到了三参数的递进公式。利用三参数迭代法计算了部分相干波束在强湍流中及斜程传输时的等效波束半径及相干长度。计算结果证明了在强湍流中,相比于直接利用广义惠更斯-菲涅尔原理的计算结果,迭代法得到的等效半径较小,而相干长度较大。在斜程路径上,上行与下行传输激光的统计特性是不同的。     

Investigation of the amplitude and phase fluctuations of electromagnetic wave caused by atmospheric turbulence

The theoretical estimation and experimental determination of the amplitude and phase fluctuations of the microwave signal in the three-centimeter wave band propagating through a turbulent atmosphere on unobstructed paths have been performed. Numerical estimates were obtained for the dispersions and also for the correlation radii of amplitude and phase fluctuations of the microwave signal in the coastal region of the town of Sevastopol. A measuring complex was created and experimental investigations of the amplitude and phase fluctuations of the microwave signal were carried out synchronously with meteorological measurements.     

斜程大气传输光束孔径平滑到达角与像点起伏

像面到达角起伏、波面抖动和像点抖动通常是研究大气干扰情况下高分辨成像系统波前特性的重要方法之一。采用Rytov近似、包含湍流内外尺度影响的修正von Karmam近似谱和接收光学系统孔径滤波函数和传输权重函数中的Airy函数的高斯函数近似,研究了斜程湍流大气中传输束状波的波面抖动、像面到达角起伏和像点抖动规律,导出了圆孔接收系统测量到的包含湍流内外尺度影响的束状波孔径平滑波面抖动、像点抖动和像面到达角方差理论模型。     

Intensity of a focused beam in a turbulent medium

The effect of the strength of turbulence on the intensity distribution in the focal plane of a focused laser beam is studied. The intensity in the focal region is found to be unaffected by the turbulence provided Cn²< 0.45 k0^-2S^-5/6F^-1, where Cnis the index of the refraction structure constant, k0is the signal wavenumber, S is the initial cross section of the beam, and F is the focal length.