径向阵列光束大气湍流中的强度起伏

光闪烁是大气湍流效应造成的重要影响之一。采用多光束阵列发射,推导激光束在大气湍流介质中的轴上光强和光强起伏,即闪烁指数。分析了阵列参数对轴上光强的影响,包括阵列径向半径和子光束数目等。详细讨论了阵列子光束数目对闪烁指数在近距离和远距离传输的影响。结果表明,当传输距离较远时,多光束传输的闪烁指数反而低于单光束传输,这对于空间激光通信来说有一种补偿作用。     

信道相关对空间分集接收信号闪烁的影响

为了探究信道相关性对无线光通信中空间分集接收信号闪烁的影响,给采用空间分集接收技术的通信端的各子孔径大小与分布设计提供参考,理论推导了弱起伏条件下空间分集接收信道相关系数的表达式,给出了信道相关系数与分集接收信号闪烁的关系;数值研究了水平湍流均匀路径与整层大气湍流非均匀下行传输路径下的信道相关系数。结果表明,对于平面波,湍流非均匀路径下孔径接收时信道间存在明显的负相关特性。对于球面波,湍流非均匀路径下孔径接收时的信道相关性与湍流均匀路径情况类似,负相关特性都不明显。     

激光大气传输特性的数值模拟

介绍了激光信号通过大气时的湍流谱模型,分析了考虑湍流内尺度条件下激光在大气中传输时的光强闪烁效应和光束展宽效应.探讨了基于修正Rytov方法的光强闪烁理论,主要是考虑湍流内尺度效应的条件下湍流内尺度、传输激光的波长以及大气结构常数对光强闪烁的影响.用MATLAB对其影响进行了数值模拟,并对结果进行了具体分析.结果表明:湍流内尺度对激光大气水平传输过程中的光强闪烁效应具有重要的影响,同时闪烁指数还随着传输激光的波长和大气结构常数等的变化而变化.     

强湍流条件下激光闪烁的若干特征

本文从实验上论证了激光闪烁研究中对数强度方差与湍流、波长、距离的理论关系,详细讨论了强湍流条件下闪烁的各种特征,其中包括概率分布、频率分布、相关函数、口径平滑效应等。     

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。     

高斯光束大气闪烁空间分布的数值模拟研究

利用数值模拟方法研究了高斯光束在弱湍流大气中闪烁的空间分布问题.详细给出了计算闪烁指数的方法,分析得出了闪烁指数空间分布的一般特征:闪烁指数在光轴上最小,随着离开光轴距离的增大而增大.模拟结果与Rytov理论预期的结果基本吻合,从而验证了两种方法的可靠性.     

特殊关联阵列扭曲光束在大气湍流中的光强闪烁

相干和相位是光波的基本特性,它们之间是相互影 响的。本文首先基于部分相干光束的模式分解理论,严格证明了谢尔模高斯阵列关联结构可 以携带扭曲相位,并提出了一种特殊关联阵列扭曲光束,且本文所用证明方法具有一定的普 适性。随后,针对光束在大气湍流传输中引起的光强闪烁,采用张量方法推导了特殊关联阵 列扭曲光束在大气湍流中的光强闪烁解析式,详细分析了光源各参数对光强闪烁指数的影响 ,研究表明增大光源的束腰宽度、增大扭曲因子、调控谢尔模高斯阵列关联结构可降低大气 湍流引起的光强闪烁。本文得到了一种有效抑制大气湍流光强闪烁的严格物理数学光束模型 ,研究结论有助于优化部分相干光束在大气湍流传输的整体性能,在自由空间光通讯、激光 雷达、遥感成像等领域具有潜在的应用价值。     

阵列光束在湍流大气中传输的光强闪烁研究进展

相比单束光,阵列光束由于各光束之间互不相干,可以减小大气湍流引起的接收光强起伏。特别在激光照明和通信等应用场合中,非相干合成光束可以明显提高照明均匀性和减小通信误码率。简要介绍了相干合成阵列光束在湍流大气中传输的光强闪烁研究进展。针对非相干合成阵列光束在减小光强闪烁的优势,回顾了非相干合成阵列光束在激光主动照明、星地激光大气通信方面的实验研究结果;详细总结了子光束为不同类型的非相干合成阵列光束的理论研究方法和结果,包括不同波长光、基模高斯光、部分相干高斯光和艾里光。实际中子光束一般为部分相干光,它们互相之间存在相干性。提出了下一步应深入开展研究的问题为阵列光束大气的光强闪烁。     

四拉盖尔高斯光束在大气湍流中传输时的闪烁研究

采用相位屏法模拟仿真,对四拉盖尔高斯光束(Laguerre Gauss,LG)在大气湍流中传输时的闪烁性能进行了研究.结果表明:与单LG光束相比,四LG光束可以降低光传输中的闪烁指数;和外尺度相比,内尺度对光束闪烁指数的影响较大;光束的拓扑荷或者径向量子数越大,四LG光束的闪烁指数越大;当光束之间的距离取合适的值时,LG光束在大气湍流中的闪烁指数可取得最小值.     

PCFT光束阵列在海洋湍流中的传输特性

为了研究部分相干平顶光束阵列在海洋湍流中的传输特性,基于拓展惠更斯-菲涅耳原理和魏格纳分布函数,结合海洋湍流的空间功率谱函数,理论推导了部分相干平顶光束阵列在海洋湍流中的传输因子、有效曲率半径、瑞利尺寸的解析表达式,数值计算并讨论了它们与光束的相干长度、海水温度与盐度变化、动能耗散率、温度方差耗散率等参量的关系.结果表明,在相同条件下,当传输距离超过400m时,相对于部分相干高斯光束、部分相干平顶光束和部分相干高斯光束阵列,部分相干平顶光束阵列受海洋湍流的影响更小,传输特性更为稳定.此结果对选择合适的光束在海洋湍流传输方面具有一定的参考价值.     

上海大气闪烁的频谱

大气闪烁的频谱是闪烁现象中一个有意义的统计特征。本文以上海为例,着重研究了当平均风场与湍流场非均匀分布时对频谱的作用,由此得出了一些新的认识与定量结果。     

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.     

大气闪烁对无线激光通信效能的影响

由于大气湍流的存在,使激光信号在大气传输中产生振幅的随机起伏,称为大气闪烁。大气闪烁将引起激光通信误码率的增加。由光强起伏大小的统计规律和通信基本原理推导出了弱湍流条件下由光强闪烁引起的误码率计算公式,分别建立了地面水平链路和地-空斜向链路中的大气闪烁误码率模型,对模型进行了仿真,分析了湍流强弱、信号调制方式、链路距离、激光波长及地面发射仰角对闪烁误码率的影响,得到了闪烁误码率的变化规律。结果表明,通过合理选择信号调制方式、激光波长、站址位置及地面发射仰角等方式能够有效地降低大气闪烁误码率,提高通信可靠性。     

利用闪烁和到达角起伏测量横向风速的对比研究

基于湍流冻结假说,利用时空相关函数分析了使用大气相干长度仪(DIMM)测量横向平均风速的原理,并通过闪烁和到达角起伏测量风速的路径权重函数确定风速传感器的安装位置。在弱湍流条件下,根据水平1 km传输实验测量的到达角起伏和光强起伏数据,分别计算横向风速并与风速传感器同时测量的参考风速对比,发现利用到达角起伏计算的风速与参考风速有一定的相关性。该实验拓展了大气相干长度仪的使用功能。     

测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪

基于光闪烁的孔径平均效应,研制了测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪(LALS)。该仪器在一定程度上实现了闪烁饱和现象的抑制。仪器采用对称式结构布局,同时采用调制解调方法提高信噪比,并以嵌入式控制单元完成对数据的采集、处理、显示和存储。与传统仪器设备的测量结果相比,在1000m的水平传输路径上两者的线性拟合系数为1.01,相关系数为0.92;进一步分析表明,大气湍流内尺度会对闪烁方差的测量产生影响,从而导致大气折射率结构常数的测量结果略显离散。     

近海激光通信分集技术对大气湍流扰动抑制的实验

为评估分集收发技术在近海面激光通信系统应用中对大气湍流扰动的抑制作用,设计了基于对多路1 550 nm激光光斑同步采集的验证实验方案。采用由时统终端触发的FPGA+多核DSP架构的实时图像处理系统实现目标中心位置的提取与目标灰度和的统计,进而得到激光从发射端至接收端的到达角起伏方差和闪烁指数。分别比较了等功率条件下单路发射和双路发射间、双孔径接收与等效单孔径接收间的到达角起伏方差和闪烁指数,同时比较了不同跨距下双孔径接收的效果。实验表明,在发射功率相同的情况下,与单路发射相比,双路发射能够有效地抑制因大气湍流扰动产生的到达角起伏和光强闪烁;在接收面积相同情况下,双孔径接收较单孔径接收所产生的到达角起伏与光强闪烁更弱,且在一定范围内,双孔径间的跨距存在最优值。     

大气湍流模拟装置性能测试

利用光传输实验的大气湍流模拟装置测量了光传输特性。实验中采用了到达角起伏和光强闪烁两种方法来测试光传输特性。测试结果表明,温差1~200 ℃时,Fried相干长度为0.7~40 cm;温差200℃时,到达角起伏谱频率范围达到100 Hz;光强闪烁强度频率可达100 Hz,湍流特征速度约0.1 m/s,,外尺度约20 cm。湍流模拟装置所测的性能指标和实际大气湍流性能较为接近,并且湍流强度具有较好的稳定性和可控性,能满足光传输实验要求。     

基于WRF模式预报的微波湍流特性研究

大气湍流对对流层内微波的传播具有重要影响,正确认识大气湍流的特性有助于提高电波传播模型预测的准确性和可靠性. 本文利用天气数值预报（weather research and forecasting,WRF）模式预测气象要素,计算微波波段大气折射率结构常数,研究对流层内大气湍流的时空分布特性,并探讨其与温度、相对湿度和修正大气折射率的变化关系. 研究表明:近海面微波湍流强度具有明显的日变化特征;对流层内微波湍流的垂向结构具有较为明显的分层;大气环境出现逆温减湿现象,湍流活动较强. 这些研究成果可为微波在大气环境中传播的准确预测提供理论支持.     

自由空间光通信系统中弱大气湍流引起的相位波动和强度闪烁对DPSK调制系统的影响

大气湍流是自由空间光通信链路系统的主要限制因素。大气湍流造成光束的强度闪烁和相位起伏。因此,基于MZI-DPSK调制,考虑大、小湍流尺度引起的强度闪烁和相位噪声对误码率的影响且强度闪烁满足逆高斯分布和相位波动满足高斯分布。利用分布式天线阵接收技术,研究了大气湍流下自由空间光通信链路的误码率性能,推导了在内外尺度下,分布式天线阵接收的误码率关于相位误差的函数表达式。为了提高误码率的性能,天线阵接收采用了最大比合并技术。仿真结果得出相位误差对误码率的影响很大;内外尺度对误码率的影响可以忽略不计。采用天线阵接收可以降低系统的误码率,提高通信系统的性能,且得出天线阵接收的最佳子天线个数。     

上海的大气闪烁及其对激光应用的影响

把大气闪烁的研究与闪烁对激光工程影响的研究结合起来,得到了损失因子的天顶距分布,指出临界天顶距的存在,低于该临界天顶距时,激光工程不能以原来在无湍流考虑下预定的性能指标工作下去.根据上海湍流强度分布模型.进行了计算,得到两类激光工程的上述特征量在不同条件下的大小.还研究了各种波型的闪烁特征及其转化,着重研究了束状波的特点及斜程(湍流非均匀)的闪烁问题.