高斯激光束大气湍流传输的建模与仿真

大气激光通信中,湍流对传输系统的性能有着严重的干扰。在湍流中传输的激光会产生相干性退化,并且引起了光束的相位起伏、到达角起伏、光强起伏等效应,极大的影响了激光通信中传输速率及准确性。因此,利用快速傅里叶变换方法产生了Kolmogorov湍流理论的相位屏,并采用低频谐波补偿方法,从而改善相位屏的低频统计特性。然后,基于所产生的相位屏,采用分步传播方法对准直高斯光束通过Kolmogorov大气湍流进行了数值仿真,通过仿真得到了穿过大气湍流后的光强和相位分布,这对于大气激光通信,特别是研究光束在湍流中传播时的湍流效应有着不可忽视的指导意义和参考价值。     

大气光传播研究中的湍流谱与间歇性

指出湍流大气中光传播理论分析与数值模拟方法存在的问题,简要分析了湍流谱的适用性与局限性,考察了湍流特征尺度在光传播问题中的作用,构造了与实验结果相符的湍流温度场的间歇性模型,为分析湍流间歇性对光传播的影响奠定了基础     

大气湍流等效相位屏的仿真研究

为了研究光波在大气湍流中的传输特性,了解大气湍流中大气扰动的空间相位分布,分别利用谱反演法和泽尼克多项式法对大气湍流等效相位屏进行了数值仿真.仿真结果表明:谱反演模拟的相位屏体现的湍流高频信息较充分,但低频信息不足;泽尼克法模拟的相位屏体现的湍流低频信息较充分,但高频信息不足.随着采用的泽尼克多项式阶数的增加,其体现的高频信息得到改善,但这些高频信息主要集中在圆域的边缘区域.比较研究表明,谱反演法和泽尼克多项式法模拟大气湍流等效相位屏各有优缺点,可以在不同情况选择合适的方法或两者结合以达到预期结果.     

散斑对光斑检测精度的影响

采用随机相位屏数值模拟激光在大气湍流介质中的传播过程,对在激光接收端探测器表面形成的散斑利用质心坐标进行计算统计,模拟结果表明:光斑质心脱靶量随湍流强度和传播距离的增加而变大,在中等湍流强度(C2n=5×10-14m-2/3和1km传播距离条件下,散斑效应对光斑检测精度的影响误差可达十几微弧度.     

大气湍流效应对激光传输影响的仿真研究

针对大气湍流效应对半导体激光光束远场光束质量的影响进行仿真研究。首先理论分析泽尼克多项式产生的相位屏及指数高斯光束通过湍流大气传输后的光斑畸变情况;然后利用Matlab软件对相位屏及单束、多束半导体激光光束通过相位屏后的光斑光强分布进行仿真,并采用不均匀度指标对远场光束质量进行评价;最后指出多光束并合方法是抑制大气湍流效应影响的有效方法,对构建激光主动照明成像系统具有指导意义。     

大气传输特性对激光雷达探测系统的影响

大气探测激光雷达的实际探测能力与激光的大气传输衰减有密切的关系.详细阐述了大气对激光传输的各种衰减效应,包括大气中气体分子和气溶胶粒子对激光信号的吸收和散射、大气分子的荧光吸收及大气湍流等.不仅有助于加深对激光雷达方程的理解,且对激光雷达系统的设计与研制也具有重要的指导意义.     

光束漂移对光电测距瞄准误差的影响及其对策

通过分析光束漂移对光电测距瞄准误差的影响，作者认为，只要测距仪光发射系统存在空间相位分布不均匀，测距的瞄准误差就是不可避免的，减小这种的根本方法是限制空间相位分布不均匀度，其次是选择大气湍流弱的时间进行观测。     

基于卷积神经网络的多OAM态识别方法

针对不同轨道角动量（OAM）叠加的涡旋光束探测问题,提出了基于机器学习的模式识别技术,为OAM叠加光束的检测提供了一个新思路.基于修正的von Karman功率谱模型,利用功率谱反演法生成随机相位屏,应用多步衍射法数值模拟拉盖尔高斯叠加光束在大气湍流信道的传输.研究了不同波长、传输距离和大气湍流信道条件下训练的卷积神经网络（CNN）分别对各种湍流强度测试集的识别正确率.结果表明：对于较弱的湍流、波长较长的OAM光束和较短的传输距离条件,基于CNN的OAM模式识别正确率较高;对于各种湍流条件的测试数据,使用强湍流训练集训练得到的模型与使用弱湍流训练集训练得到的模型相比识别正确率更高;利用混合训练集进行训练有利于提高识别正确率.这些结果对OAM光束解复用系统的实现具有一定的参考价值.     

基于球泡模型的大气湍流光束漂移Monte Carlo模拟

大气湍流光束漂移会降低大气光通信系统的性能.把大气湍涡建模为三维空间中随机分布的空气球泡,其折射率和尺寸分别服从正态分布和均匀分布.使用Monte Carlo方法,根据几何光学理论分析光线在球泡中及球泡之间传播时的三维轨迹,并计算在接收面上光线偏离真空传播时的到达点的距离.最后通过模拟大量光线的传播,统计得出不同大气参数和传播距离条件下的光束漂移半径均方值.对比Monte Carlo模拟结果和理论计算结果,发现二者之间具有一致性.     

大气湍流对CO2激光雷达成像的影响

系统分析了大气湍流对激光雷达系统的影响，重点研究了湍流导致的目标表面闪烁，利用扩展Ｈｕｙｇｅｎｓ－Ｆｒｅｓｎｅｌ原理建立了大气传播模型，并利用计算机模拟了湍闪烁 成像失真，并提出了提高成像质量的方法。     

Science and technology of atmospheric effects on optical engineering:Progress in 3rd quinquennium of 21st century

Brief introduction with remarks is given for recent work in optical properties of turbulent and turbid atmospheres and their effects on optical engineering. Emphasis about turbulence investigation is paid on spatial structure characteristics of optical turbulence,turbulence profiling with lidar technology, and turbulence prediction based on mesoscale atmospheric model. Discussion of turbid atmosphere study is focused on light scattering by non-spherical aerosol particles, high resolution atmospheric transmittance from solar radiation measurement, total sky imaging with high spectral resolution, and the modulation transfer function of a turbid medium. Key points about light propagation through turbulence include non-Kolmogorov turbulence effects, probability distribution models of scintillation, and combined beam propagation. Atmospheric effects on quantum communication are discussed, and statistical characteristics of atmospheric effects on optical engineering are introduced.     

强激光大气传输稳态热晕效应研究

基于积分法研究了有风时强激光大气传输稳态热晕效应．推导了稳态热晕积分方程,分析并改进了高斯-勒让德积分法,使收敛速度提高近两倍,且畸变越大改进效果越显著．应用该算法计算了10.6μm激光的稳态热晕对远场光斑能量分布的影响,得到了较理想的结果．然后应用该算法对3.8μm激光的热晕效应进行了分析．结果表明,在其他参数不变情况下,发射功率越大,传输距离越远,光束畸变和波束扩展越大; 而孔径的增加,会使热畸变效应减小,但孔径太大或太小均会导致到达目标的功率密度下降,有效光斑面积减小,且孔径的增大会增加系统实现的难度和成本．因此,合理选择发射孔径是系统设计的重要因素．     

斜程传输中光波的闪烁问题研究

将修正的Rytov方法推广应用于研究斜程传输问题,推导了平面波和球面波斜程传输时的闪烁指数,并根据ITU-R湍流大气结构模型,对平面波和球面波在不同传播高度、近地面风速、近地面大气结构常数、零内尺度以及非零内尺度下的闪烁指数进行了理论据导,做出了具体的数值分析.研究结果表明,斜程传输在弱起伏情况下,利用修正Rytov方法得到的结果与经典Rytov方法结果基本上是一致的.但随着天顶角的增大,传播距离的增加,闪烁强度的表现结果有所不同,这时的经典Rytov方法也将不能适用.同时,采用修正的Rytov方法对平面波和球面波斜程传输的闪烁问题研究的方法,可以推广应用于波束波的闪烁问题研究中.     

具有轨道角动量的涡旋光束在非均匀大气湍流中的传输特性

基于拓展的惠更斯–菲涅尔原理、维格纳分布函数的二阶矩定义,研究涡旋光束（l=1）在非均匀大气湍流中的传输特性,推导出其 M2因子及光束扩展表达式,并进行数值模拟。结果表明,初始空间相干长度、束腰半径、光束波长、天顶角以及湍流内尺度对光束传输有较大影响。在一定范围内,减小相干长度、天顶角、束腰半径,增大波长或湍流内尺度,均能有效提高光束传输质量。相较于电磁–高斯谢尔模型阵列光束、部分相干空心光束,具有轨道角动量的涡旋光束受大气湍流的影响更小,更有利于信息的有效传递。在自由空间光通信（FSO）中,采用电磁高斯涡旋光束,具有更高的稳定性。     

全国主要城市冬季太阳辐射强度的研究

根据全国主要城市冬季各月典型日水平面上的太阳总辐射强度和散射辐射日总量,计算出全国主要城市冬季各月典型日大气透明度和水平面上的散射辐射强度与垂直于太阳光线平面上的太阳直射辐射强度之比,进而计算出全国主要城市冬季各月典型日水平面和各朝向立面各时刻的直射辐射、散射辐射和总辐射强度。     

部分相干空心光束在非均匀大气湍流中的传输

基于惠更斯-菲涅尔原理和维格纳分布函数的二阶矩定义,推导部分相干空心光束(PCHGB)在非均匀大气湍流中传输的束宽和远场发散角的解析表达式,并对其在非均匀大气湍流中的传输特性进行定量分析和讨论。研究结果表明;PCHGB在非均匀大气湍流的传输过程中,其束宽受大气湍流的影响取决于光束的束腰、阶数、波长、相干度以及湍流内尺度和天顶角;非均匀大气湍流对PCHGB远场发散角的影响与光束的天顶角、湍流内尺度、相干度以及波长密切相关;在非均匀大气湍流的传输中,当天顶角为π/3时,PCHGB远场发散角的饱和传输距离为0.3 km。     

光镊模型的矢量衍射矩阵化方法与应用研究

光镊是生物物理以及生物工程领域的一种重要工具,光镊模型及其求解是目前的一个研究重点。根据矢量散射的基本原理和米氏散射作用,提出了一种将矢量衍射方程矩阵化的方法,该方法把经过透镜汇聚的入射光束进行平面波分解,结合米氏散射公式与旋转变换,然后导出了散射光场的矩阵形式,最后将该矩阵应用于模拟计算米氏散射的光场。此方法不限制光束的波长,不但简化了运算难度,也获得了与无散射情况下的矢量衍射计算、有散射情况下的瑞利近似计算各自相同的结果。本文的研究方法可应用于具有一定大小粒子的散射计算,为进一步控制光镊行为提供了依据。     

激光束在大气中的传播特性研究

激光大气传输特性是研究激光在通过大气传播的过程中,大气与激光相互作用产生的一系列线性与非线性效应以及这些效应对激光传输的影响。文章基于正的共焦非稳定谐振腔的激光场,采用快速傅里叶变换（FFT）等方法研究激光光束在大气中的传播特性,分析了强激光器如二氧化碳激光器在大气传输中产生的一些线性光学效应,并在只考虑大气折射、大气分子吸收等对激光光束的影响下,求出了激光光束在大气中的偏移、光束的扩展和光束质量等,进而利用β参数和Strehl比来评价高能激光器的光束质量特性,给出了这两个参数随着最高能量变化的图形。     

各向异性大气湍流中涡旋Lommel光束传输特性

为了更有效地减小光波大气传输中湍流的影响,探索减缓湍流效应的措施,基于涡旋光束和大气湍流中光传输的马尔科夫近似理论,应用将涡旋光束分解为柱坐标中螺旋谐波叠加的方法,推导得到无衍射洛默尔涡旋光束在考虑内外尺度的各向异性非科尔莫戈罗夫大气湍流中传输的接收功率和串扰功率模型．分析了洛默尔光束在不同强度和不同程度各向异性湍流中传输时波束参量和湍流参量对不同轨道角动量模光束的接收功率和串扰功率的影响．结果表明,随着湍流各向异性程度的增加,各个轨道角动量模的接收功率增大,串扰功率减小．非科尔莫戈罗夫谱幂指数的变化对接收功率和串扰功率的影响较大,且洛默尔光束形状接近于圆对称模式时能更好地减缓湍流的影响．理论推导表明,在各向异性大气湍流中洛默尔光束的传输性能要优于多汉克-贝塞尔及拉盖尔-高斯涡旋光束．