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.     

高斯波束地--空传播考虑大气湍流内尺度的闪烁指数分析

激光通信、跟踪、制导、雷达和高功率激光系统等研究均要考虑光波地-空路径传播大气湍流引起的闪烁.目前,主要对平面和球面波闪烁研究较多,对能更好表示激光束的高斯波束的闪烁研究还主要局限在水平视距传播.本文根据Andrews等给出的高斯波束视距传播考虑内尺度效应的闪烁指数模型,基于ITU-R推荐的C2n模型,分析计算考虑大气湍流内尺度效应的高斯波束地-空传播的闪烁指数,同时与平面、球面波和高斯波束视距路径的结果进行了比较.结果表明,无论是平面、球面还是波束波,地-空路径的闪烁指数都较地面视距传播的小;当波束半径W0≤0.001m时,其闪烁指数与球面波的一致,当W0≥0.1m时,与平面波一致,这与理论分析结果相同;在强湍流区,当W0≤0.05m时,波束波闪烁逐渐趋于球面波的结果,因此,在强湍流区,对于W0较小的激光,用球面波的闪烁指数可较好的近似其闪烁指数.     

关于斜程湍流大气中激光波束闪烁指数研究的综述

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,将水平均匀湍流介质情况下成立的修正Rytov方法扩展到斜程传输问题上,建立了激光高斯波束波从弱湍流区到强湍流区斜程路径考虑湍流内尺度和外尺度的闪烁指数统一模型,在大气结构常数为一定值时可退化到水平传输情况.数值计算分析了1.06μm、1.315μm、3.8μm和10.6μm等典型波长的波束闪烁特性,结果表明波长较短时,内尺度影响较大,且内尺度效应对闪烁的影响要大于外尺度效应,但在强起伏情况下,外尺度的影响也变得较为显著.     

湍流大气中高斯光束波前刃位错

在Rytov近似下 ,通过引入统计平均位错的概念研究了高斯光束通过近地面湍流大气传播时波前刃位错位置与湍流大气强度和传播距离等参数的关系。分别在远大于和远小于光波位相起伏周期的两种情况下 ,研究并得出了波前刃位错位置的湍流系综统计平均理论关系     

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。     

微波斜径传播对流层大气湍流结构常数模型

在微波遥感和卫星通信领域内，对流层湍流大气引起的信号闪烁现象的研究是至关重要的一个问题。引起接收信号闪烁的大气折射率起伏一般由大气结构常数(Cn^2来度量。根据ITU—R光波波段的Cn^2模型及ITU—R幅度闪烁标准偏差σχ的经验模型讨论了在微波波段影响Cn^2的主要因素；建立了微波波段的Cn^2模型。其优点是考虑了大气温度和湿度随高度的变化。根据湍流的幅度闪烁理论，在频率分别为12GHz，20GHz和30GHz时，用该Cn^2模型计算了σχ，并与ITU—R和Ortgies模型的预测结果进行了比较，结果表明一致性较好，说明该Cn^2模型是实用的。     

湍流大气中光波闪烁的计算及实验测量比较

采用修正Rytov方法和近似理论计算了球面波在湍流大气中传播的闪烁指数，并与实验结果进行了比较，发现在弱起伏和中等湍流起伏区修正Rytov解与实验结果符合得良好，而在饱和区采用考虑内尺度效应下的近似理论结果更符合实验结果。     

中国北方大气湍流中微波传播闪烁问题研究

从分析影响微波段大气折射率结构常数的因素人手,考虑了温度和相对湿度对这一波段大气折射率结构常数的影响,建立了我国北方地区微波段大气折射率结构常数C2n模型,并以此模型为基础分析和推导了K-Ka波段的平面波在湍流大气中水平和斜程传输时的闪烁指数.研究表明:温度和相对湿度对微波段大气折射率结构常数有一定的影响,但湿度影响相对较小;同时在其它条件不变的情况下,和光波段一样,湍流的内尺度、传播高度、路径天顶角对微波段闪烁指数均有一定的影响.     

高空大气湍流影响下紫外光非直视链路闪烁效应研究

依据折射率结构常数垂直分布特征,利用对数正态分布模型计算了湍流强度、高空位置、通信距离、仰角和波长影响下,紫外光非直视链路的信号强度概率密度分布和闪烁指数。结果表明:高度5km以下,闪烁指数随着收发端所在高度增加而显著下降,2km以上的高空闪烁指数已小于10-2;随着波长增大,闪烁指数减小,信号强度分布更加集中。因此,在高空2km以上的环境中,较小的闪烁指数可以令紫外光在高空通信方面取得较好的性能。同时,可采用"日盲区"波长较长的信号来减小闪烁效应。此外,采取降低仰角的方法可以降低闪烁指数或者延长通信距离。     

沙尘暴对地空路径上Ka频段电波传播的影响

通过分析陆地上毫米波在沙尘暴中传播时的衰减和交叉极化分辨率，给出了一定高度毫米波传播的衰减和交叉极化分辨率的计算公式，并提出了一种计算地空路径沙尘暴衰减和交叉极化分辨率的等效模型。在不同的地球站点、不同的能见度、不同的沙尘粒子含水量、不同的粒径分布下进行了数值计算，并对结果进行了分析。     

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。     

Effects of light propagation in middle intensity atmospheric turbulence

The purpose of this report is to present an experimental study of the effects of light propagation through atmospheric turbulence.Free space optical communication is a line-of-sight technology that transmits a modulated beam of visible light through the atmosphere for broadband communication.The fundamental limitations of free space optical communications arise from the environment through which it propagates.However these systems are vulnerable to atmospheric turbulence, such as attenuation and scintillation, Scintillation is due to the air index variation under the temperature effects.These factors cause an attenuated receiver signal and lead to higher bit error rate (BER).An experiment of laser propagation was carried out to characterize the light intensity through turbulent air in the laboratory environment.The experimental results agree with the calculation based on Rytov for the case of weak to intermediate turbulence.Also, we show the characteristics of irradiance scintillation, intensity distribution and atmospheric turbulence strength.By means of laboratory simulated turbulence, the turbulence box is constructed with the following measurements: 0.5 m wide, 2m long and 0.5m high.The simulation box consists of three electric heaters and is well described for understanding the experimental set up.The fans and heaters are used to increase the homogeneity of turbulence and to create different scintillation indices.The received intensity scintillation and atmosphere turbulence strength were obtained and the variation of refractive index, with its corresponding structure parameter, is calculated from the experimental results.     

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。     

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.     

对地-空光通信中大气折射影响的研究

在对大气层采用球面分层的基础上,利用折射定律,阐述了球面分层大气折射模型的建立过程,得到了光束折射的光路方程.由此得出光束偏移与卫星高度和地面发射角间的关系,给出了光束偏移随卫星高度变化的计算公式,为地-空光通信链路的修正提供了重要的理论参考.     

高斯光束经球端面抛物型GRIN棒传播与变换特性分析

本文采用矩阵光学的方法,分析了高斯光束经球端面抛物型梯度折射率棒透镜的传播与变换特性.