湍流内尺度对光波起伏频谱的影响
激光大气传输光波相位不连续性问题研究进展
激光大气传输光波相位不连续性问题研究进展葛筱璐;冯晓星;范承玉【摘要】With laser beam propagating over a long distance through even weak atmospheric turbulence, significant turbulence effect might happen so that a continuous phase function does not exist in general owing to the presence of branch points in phase. Branch points could induce degradation of the performance of a standard adaptive optics system when it is used to compensate atmospheric turbulence. The generation and development, the optical properties and topological characteristics of branch point* in the atmosphere were introduced. The study of phase discontinuity of laser propagation through atmosphere was reviewed so as to provide a reference for further study of laser propagation through atmosphere and adaptive optics system.%激光在大气中长距离传输时,即使湍流很弱也会产生强湍流效应.在强湍流效应中,一个重要的问题就是光波的相位不再是连续的,相位不连续性问题会引起现有的自适应光学校正能力的降低.介绍了相位不连续点产生的机理和基本性质,阐述了激光大气传输相位不连续性问题近年来的研究进展,为激光大气传输及自适应光学校正技术研究工作的更好开展提供了参考.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2012(036)004【总页数】5页(P485-489)【关键词】大气与海洋光学;自适应光学;不连续相位;激光传输;大气湍流【作者】葛筱璐;冯晓星;范承玉【作者单位】山东理工大学理学院,淄博255049;中国科学院安徽光学精密机械研究所大气成分与光学重点实验室,合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所大气成分与光学重点实验室,合肥230031【正文语种】中文【中图分类】TN929.12;P425.2激光在湍流大气中传输时，湍流将对它产生各种效应，如光强闪烁、相位畸变、光斑扩展和漂移等，这些效应均会导致激光光束质量的严重退化，从而对跟踪、测距、光学成像、激光通讯以及激光武器等众多的激光工程应用产生不利的影响。
大气湍流中激光瑞利区间的高度效应研究_陈毓敏
SLC － Day 白天模型与 Hufnagel － Valley 白天模 型在高于 3． 5 km 时取值基本一致。 修正的 Hufnagel － Valley 夜晚模型为：
－ 54 10 h exp（ － h / 1000 ） + C2 n （ h ） = 8 ． 16 ˑ 10
! 为光束波长。 弦有关的光束参数。 波数 k = 2 π / ! ，
2 2 l 11 / 6 2 n
Greenwood 夜晚模型为： C （ h） =
[ 2． 2
ˑ 10 －13 （ h + 10 ）
－ 13
+ 4 ． 3 ˑ 10 －17 ]· （ 7）
[
( )
( ) ]·
7 /6
exp（ － h / 4000 ）
h 是传输链路海拔高度， 单位为 m。 该模型未 其中， 考虑地面附近折射率结构参数对折射率结构常数 C2 n 的影响 。 4 数值计算结果与分析 根据瑞利区间表达式、 折射率谱密度函数以及 不同的大气折射率结构常数高度模型， 可以得出瑞 利区间随传输链路高度的变化关系 ， 如图 1 所示， 其
798 2 瑞利区间 在自由空间中， 部分相干光的瑞利区间为 Z Rfree = 槡 A/B
2 β exp β ω 2 1 + 其中： A = 2 4 β exp + 1 2 2 0
激光与红外
第 46 卷
－ 14 － 2 /3 10 － 13 m － 2 /3 ， 常用值为 A = 1． 7 ˑ 10 m ； v 是垂直 于 ［5 － 6 ］
在激光理 论 中 ， 瑞利区间表示完全相干激光 束在自由空 间 中 传 输 时 无 明 显 扩 展 的 传 输 距 离 。 2002 年 ， Wolf 等把瑞利区间的概念从完全相干光 扩展到部 分 相 干 光
光在湍流大气中的传播综述
谢谢！
3. 3 激光束的扩展
湍流大气中传播的激光光斑在时刻漂移着， 如果我们长时间观测（或观察光斑的长曝 光照片），因光斑漂移引起的累加效果会 形成比瞬时光斑（短曝光光斑）大得多的 弥散斑，这通常称为长时扩展. 而湍流大气 的影响也会使激光束的瞬时光斑扩大，通 常称为短时扩展.
四 结论
大气中的湍流对激光束的影响占突出地位, 重点介绍瑞流作用下的激光的三种物理现 象即强度起伏(大气闪烁),光束漂移和扩展。 实现激光在大气中的更好应用，这些问题 是急需解决的
2.2 大气闪烁
光束强度在时间和空间上随机起伏，光强忽大忽 小，即所谓光束强度闪烁。大气闪烁就是由湍流 漩涡引起的
大气闪烁的幅度特性 由接收平面上某点光强I的 对数强度方差来表征
I2 [ln(I / I 0 )]2 4[ln(A/ A0 )]2 4 2
2 2 式中， 可通过理论计算求得，而 I 则可由
三. 激光在大气端流中的传播
激光是20 世纪最伟大的发明之一. 激光的高相 干度、高亮度、强方向性是普通光源无法比拟 的优点，它在各个学科与技术领域的应用无所 不在、与日俱增. 但当激光在大气中长距离传 播时，由于大气的影响，相干度、亮度会下降， 光束会发散、抖动，当然还有许多物理上的性 质要改变，激光的优点被大大消蚀. 因此， 要 充分发挥激光的优势，必须了解大气湍流对激 光的影响.
2.4 湍流大气中的光传播现象
当光在湍流大气中传播时，大气湍流造成的折射率的起 伏导致激光波阵面的畸变，破坏了光的相干性. 而相干性 的退化将严重削弱光的光学质量，引起光线的随机漂移、 光能量在湍流大气中的传播光束截面上的重新分布（畸 变、展宽、破碎等）、光实际传播路径长度的起伏、一 定接收面积上光强起伏等.
大气湍流对红外的影响_概述及解释说明
大气湍流对红外的影响概述及解释说明1. 引言1.1 概述大气湍流是指大气中存在的一种不规则、无序而且具有随机性的气体运动现象，其对红外辐射的传输产生了重要影响。
红外辐射在军事、航空航天、气象等领域应用广泛，因此了解大气湍流对红外辐射传输的影响机制对于优化红外成像系统的设计和提高其性能至关重要。
1.2 文章结构本文将从以下几个方面对大气湍流对红外辐射的影响进行深入研究。
首先，我们将介绍大气湍流概念及其特征，并讨论导致湍流形成的因素。
接着，我们将探讨红外辐射的基本特性以及在不同波长区域和应用领域中所具有的潜力。
然后，我们将说明红外传感器工作原理以及其在红外成像系统中的应用。
通过以上内容的铺垫，我们将详细介绍目前关于大气湍流对红外辐射影响机制研究的最新进展，包括温度涨落效应、折射率涨落效应以及散焦与模糊效应等方面，并总结当前存在的挑战和问题。
最后，我们将对现有解决方案进行分析并评估其优缺点，并展望未来研究方向和发展趋势。
1.3 目的本文旨在全面概述大气湍流对红外辐射的影响，并深入解释其影响机制。
通过对国内外相关研究成果的综述和分析，可以为红外成像系统的设计和性能提升提供参考，并为未来相关研究提出新的创新思路和方向。
2. 大气湍流概述:2.1 定义与特征:大气湍流是指在大气层中存在的一种不规则运动现象，具有随机性和不可预测性。
它是由于大气中温度、湿度、风向等因素的变化引起的。
大气湍流通常表现为空气的快速混合和乱流运动，导致空间和时间上的非均匀性。
大气湍流具有以下主要特征：- 无规则性: 大气湍流运动没有明确的周期性或规律性，其运动模式会不断变化。
- 尺度范围广: 大气湍流可以出现在非常小的尺度（例如微观颗粒周围）到非常大的尺度（例如行星尺度）之间。
- 能量耗散: 大气湍流会使空气能量从大尺度逐渐转移到小尺度，并最终以热能形式耗散掉。
2.2 影响因素:多个因素会影响大气湍流的生成和发展，其中包括：- 空间和时间上的温度差异: 温度差异会导致空气密度不均匀，从而产生湍流运动。
大气光学湍流对光电探测器性能的影响
级 [12]; 一 天
24
h
冬季
2
CH 的值略大于夏季的值,而在夜
晚时分,这种差距更为明显O 风速 Ve 一般也表现出较 强的昼夜变化特点,白天的风速略大于夜晚值,其峰 值主要出现在午后, 最小值则出现在日出前后时段O
2
对 冬 ~ 夏 季 的 CH 和 Vw 分 别 进 行 相 关 性 分 析 , 其 相 关 性 系 数 为 0.77 和 0.88, 这 表 明 海 边 大 气 光 学 湍 流 强
!0
arccos -
0
0
1-( / 0 )2 !! 0 其他
(8)
其中对于非相干成像系统,截止频率 0 =D/ 0
# 实验和计算结果
2
实验中 Cn 的测量采用自行研制的多波长激光闪 烁 仪 [10], 水 平 传 输 距 离 为 1 000 m, 光 路 高 度 约 5 m0
测 量 风 速 的 仪 器 为 加 拿 大 Campbell 公 司 的 CSAT3 超
(4)
Cn0 h 稳 定
而沿路径 L 的斜程横向相干长度 0 表示为:
(1) 探测器在地面,目标位于高度 H<向上搜索>
0=
2
1.46k sec
H
2
Cn <h>
H-h H
0
-3/5 5/3
dh
(5a)
(2) 探测器在高度 H,目标位于地面<向下搜索>
-3/5
H
5/3
!
0=
21.46k sec2Cn <h>
1 e
(6)
fit
式中: = 为函数拟合0 因此,湍流受限的分辨率为:
= turb 2 PSF=0.21 Reff !!!!!!!!!!!!!!!!!!!(7)
湍流折射率谱型对大气闪烁和相位起伏功率谱的影响
湍 流折 射 率谱 型 对 大气 闪烁 和 相 位 起 伏 功 率 谱 的 影 响
苑克娥 ， 朱文越， 饶瑞 中
（ 国科 学 院 安徽 光 学 精 密 机 械研 究 所 ，中 国科 学 院 大 气 成 分 与 光学 重 点 实 验 室 ，合 肥 ２ ０ ３ ） 中 ３ ０ １
摘
要 ： 基 于 Ｔａ ｌｒ ｙ 湍流 冻 结 假 设 理 论 ， 不 同湍 流 折 射 率谱 型条 件 下 ， 导 得 出 了光 波 闪 烁 和 相 位 起 ｏ 在 推
位频 谱 在 整 个 起 伏 频 率段 下 降 的幂 率 越 来 越 大 ； 流 内尺 度 的增 加 将 引 起 光 波 频 谱 的高 频 段 下 降 的 幂 率 越 来 湍
越 大 ； 随外 尺 度 的减 小 ， 而 闪烁 频 谱 低 频 段 的振 幅减 小 ， 种 影 响在 大 口径 接 收 时 较 为 明显 ， 位 谱 的低 频 段 幂 这 相
率减小 。
关 键 词 ： 大 气 湍 流 ； 光 波 起 伏频 谱 ； 折 射 率标 度 指 数 ； 内 尺度 ； 外 尺度
中图 分 类 号 ： Ｐ ２ 。 ４７１ 文 献 标 志码 ： Ａ ｄ ｉ １ ． ７ ８ ＨＰ Ｂ ０ ０ ２ ７ １ ６ ｏ： ０ ３ ８ ／ Ｉ ２ １ ２ ０ ． ４ ２ Ｐ
率的下 降满足 一８ ３幂率 。饶瑞 中等利用 数 值计 算方 法 ， 算 了考 虑探 测器 接 收 口径 以及 湍 流 内尺度 时 闪烁 ／ 计
频谱高频 段 的复杂形状 ， 讨论 了实验结 果与 理论结 果存在 差异 的可能原 因 ， 指 出湍流折射 率谱 型是造成 这一 并
差异 的主 要原 因之一Ｌ Ｊ ７ 。然 而对 于非 Ｋｏｍｏ ｏｏ ｌ ｇ ｒ ｖ谱 型 ， 其 考虑 湍流 内外 尺 度 时 的折 射率 谱 型 条件 下 ， 尤 闪 烁 和相位起伏 频谱 的理论 分析却 鲜见详 细报道 。为此 ， 于孔 径接 收下 平 面波 的对数 振 幅 和相 位起 伏 的相 关 基 函数 ， 推导得 出 了不 同折射 率谱 型条件下 闪烁 和相位起 伏 频谱 的解 析表 达式 ， 而讨 论 了折 射率 标 度指 数 、 进 内
第四章 光在湍流大气中的传输时光强起伏分析
4.1 光强起伏（光闪烁）的定义及基本描述光强起伏（光闪烁）是大气湍流导致的最常见且最明显的光传输效应之一，激光在湍流大气中传输时其光强随时间变化而产生随机起伏的现象被称作为光强起伏（光闪烁），其原因是大气折射率起伏在导致传输激光相位变化的同时，也导致了传输激光的振幅起伏，进而产生散射强度起伏现象，更进一步的原因可认为是由同一光源发出的通过略微不同路径的光线之间的随机干涉所造成。
经典理论认为：光闪烁由尺寸比光束直径小的大气湍流引起，它与湍流的内尺度、外尺度、结构常数及传输距离等因素有关，其幅度特性由接受平面上光强的对数强度方差σI2来表征：σI2=I2−I2I2（4.1）光束在湍流大气中传输时，对数振幅满足正态分布，振幅对数满足χ定义为：χ≡ln（A/A0），其中，A为在湍流中传播时实际的光波振幅，A0为未经过湍流扰动的振幅。
设一对数正态分布为高斯随机变量（对数正态分布密度函数具有三个相对读了的参数：χ、σx、I0），其中对数振幅χ的均值为χ，标准偏差为σx，则其概率密度分布函数为：pχΧ=2πσ −χ−χ2σχ（4.2）其振幅A=A0 expχ。
引入概率变换：p A A=pχΧ=ln A dχdA ,dχdA=1A（4.3）则振幅的概率密度函数为：p A A=2πσA exp −12σχ2ln AA0−χ2，A≥0（4.4）闪烁起伏概率分布满足对数正态分布的物理意义是：光场u=u0expχ+jsδ中χ是大量独立前向散射元的和，由中心极限定理可知χ服从正态分布。
4.2 光强闪烁的日变化大气的湍流运动导致信道上折射率的不均匀起伏，引起光强起伏，表征光强起伏强弱程度的主要特征量是对数光强起伏方差。
它的定义：σln I2=ln I I0−ln I I02（4.5）其中ln I为瞬时光强的对数值：ln I为平均光强的对数值。
在较好的天气下，光强起伏值从太阳出来后开始上升，到中午达到最强，视观察距离的不同起伏值也不同，如果距离很长，起伏值趋于一条直线，达到“饱和”。
面向空间光通信湍流抑制的光场调控技术研究-概述说明以及解释
面向空间光通信湍流抑制的光场调控技术研究-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述随着信息传输的需求不断增长，空间光通信作为一种高速、高容量的通信方式受到了广泛关注。
然而，由于大气湍流的存在，空间光通信在实际应用中面临着严峻的挑战。
湍流是由于大气中的不均匀加热和不稳定的气流引起的空间内的大尺度扰动。
这些湍流对光信号的传输会引起相位畸变、强度衰减以及光束传播方向的扰动，从而导致光通信系统的性能大幅下降。
为了解决湍流对空间光通信的影响，光场调控技术应运而生。
光场调控技术通过控制光信号的相位、幅度和波前分布，能够抑制湍流带来的光学畸变，并实现稳定的光通信传输。
本文将重点研究面向湍流抑制的光场调控技术。
首先，我们将介绍光场调控技术的基本原理和方法。
然后，我们将探讨空间光通信在湍流环境下所面临的挑战，包括光束衰减、相位畸变和指向误差等问题。
最后，我们将讨论针对这些挑战的光场调控技术的优势和应用前景。
本研究的目的在于提出一种针对湍流抑制的光场调控技术，并探讨其在空间光通信领域的应用前景。
通过对光场调控技术的研究和应用，我们期望能够有效地提升空间光通信系统在湍流环境下的传输性能和稳定性，为实现高速、高容量的空间光通信提供有力支撑。
1.2文章结构1.2 文章结构本文共分为三个主要部分，分别是引言、正文和结论。
引言部分主要介绍了本文的研究背景和意义，对光场调控技术在面向空间光通信湍流抑制方面的应用进行了简要介绍，并概述了文章的结构。
正文部分将详细介绍光场调控技术的基本原理和方法，包括光场调控技术的介绍，空间光通信所面临的挑战以及湍流对光通信的影响。
在介绍光场调控技术时，将着重探讨其在湍流抑制方面的应用，包括传统调制方法、自适应光学方法等。
在讨论空间光通信的挑战时，将涵盖大气湍流、自由空间传输的信道特性等。
在探讨湍流对光通信的影响时，将重点分析湍流对信号传输过程中的信号损失、相位畸变等方面的影响。
结论部分将总结本文的主要内容，重点阐述面向湍流抑制的光场调控技术的优势和应用前景，并对未来的研究方向提出展望。
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关 键 词 ： 大 气 光 学 ； 大 气 湍 流 ； 闪烁 频 谱 ； 到 达 角 起 伏频 谱 ； 湍 流 内 尺 度
中图 分 类 号 ： ＴＮ２ ４ 文 献 标 志 码 ： Ａ ｄ ｉ１ ． ７ ８ ＨＰ Ｂ２ １ ２ １ ． ２ ６ ｏ ：０ ３ ８ ／ ＬＰ ０ ０ ２ ０ ２ ７
光波 大气起 伏 的时间频谱 是描述 光波 大气传输 湍流 效应 的重 要参 量 之一 ， 映 了光强 和 相位 起伏 随 时 间 反 频 率的分 布特性 ， 对在大 气 中应用 的各种 光学 系统 ， 如光通 讯 系统 、 相位 校 正系 统 和光学 跟 踪 系统 等具 有重 要 的影 响ｌ ］ ｌ 。理论 研究表 明 ： Ｋｏｍｏ ｏｏ 湍 流谱和 点接受 条件下 ， ｌ 在 ｌ ｇｒｖ 对数 光强起 伏频谱 分 为 中等在综 合考 虑整 个湍流谱对 光波起 伏频 谱影 响的情况 下 ， 用数 值计算 方法 ， 出了有限湍 流 内 ７ 利 给
尺度 时光 波起 伏 的频谱 特征ｌ 。然而 由于湍流 介质本身 的复杂 性 ， ８ 大气参 数 的 多变 性 和大 气 中实 验条 件 的不 可控 性 ， 流内尺度 对光 波起伏频 谱影 响的规律 性实验 研究却 鲜见 详细报 道 。 湍 基 于实验 室模拟 大气湍 流所具有 的较好 的稳 定性 和可控性 ［ ， ９ 本文 利用 大气 湍流模拟 箱来形 成湍 流 ， 通 ］ 并 过 调节箱 内风 速来改变 光波传 输路径 上 的湍 流 内尺度 。在对传 输光波 的光 强闪烁 和到达 角起伏 进行测 量 的同 时， 通过反 演计算 得到 了箱 内传 输路径 上 的湍 流 内尺 度大 小 ， 而对不 同湍流 内尺度 情况 下光波对 数光 强和到 进 达角起 伏 的时间功率 谱进 行 了分析 。
个区间 。在低频 段 的主要部分 频谱呈 常数 ， 在高频 段 的大 部分 范围 ， 谱呈 一８ ８指数 变化 关 系 。而相位 起伏 频 ／ 频 谱在低 频段和 高频段 都具有 一８ ３指数 变化关 系。 。 ／ 。
但 实 际 情 况 下 大 气 湍 流 的 内 尺 度 并 不 为 零 ， 接 收 器 口径 也 是 有 限 的 ， 此 很 多 实 验 结 果 与 上 述 理 论 结 果 且 因
存在着 差异 。针对 这一类 问题 ， Ａ． ｌｒ 究 了孔 径接 收的 Ｋｏｍｏ ｏｏ Ｇ． Ｔｙｅ 研 ｌ ｇ ｒｖ湍 流畸变 波前 中整 体倾 斜像 差 的时 间特性 ， 出波前整 体倾斜 频谱 在 低 频 段符 合 ～２ ８指数 变 化 规 律 ， 高频 段 符 合 一 １ ／ 指 ／ 在 １ ３指数 变 化 规 律 ］ 。潘锋 等对孔 径接 收 的 光 波 闪烁 频 谱 进 行 了理 论 和 实 验 研 究 ， 出 高频 段 应 服 从 一１ ／ 指 １３指 数 变 化 关
第 ２ ２卷 第 １ ０期
２１ ０ ０年 ｌ ０月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｈ ＰＯＷ ＥＲ ＩＡ ＳＥＲ ＡＮ Ｄ ＰＡ ＲＴ Ｉ ＬＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ Ｉ Ｇ Ｃ：
Ｖ ｏ ． ２，Ｎ ｏ ０ １２ ．１
Ｏ ｃ ．， ２ １ ｔ Ｏ０
文 章 编 号 ： １ ０ — ３ ２ ２ １ ） ０２ ７ —５ ０ １４ ２ （ ０ ０ １ ～ ２ ６０
式中： ａ和 分别 为水平 和竖直 方 向上 的光波 到达角 ； Ｃ 为折 射率结 构 常数 ； … ＞ （ 表示 统计 平均 ； Ｌ是光 波传 输
路 径长度 ； ｌ 。为湍流 内尺度 。
而 光 强 起 伏 的 归 一 化 方 差 为
一
（ 。 一 ＜ 。 ／ ＞ ＜ ＞ ＞ ） ＜ 。
（ ） ２
式中： 为光 强 。当菲涅耳 尺度远 小于 湍流 内尺 度时 ， 强起 伏的归 一化 方差为 光
摘 要 ： 在 不 同湍 流 内尺 度情 况 下 ， 大气 湍 流 引起 的光 波 光 强 闪 烁 和 到达 角 起 伏 的 时 问 频谱 特 征进 行 对
了实 验 研 究 。 由 于 实际 大 气 湍 流 的 复 杂 性 和不 可 控 性 ， 用 大 气 湍 流 模 拟 箱 来 生 成 具 有 不 同 内尺 度 的 大 气 湍 利 流 实 验 环 境 。 利用 位 置 敏 感 探 测 器 对 光 波 的光 强 闪烁 和 到 达 角 起 伏 进 行 了 同时 测 量 ， 反 演 得 到 了 光 传 输 路 并 径 上 的 湍 流 内尺 度 。实 验 结 果 显示 ： 流 内 尺度 为 ２７ ５０ｍｍ， 应 同 一 湍 流 内尺 度 ， 湍 ． ～ ． 对 闪烁 频 谱 和 到 达 角 起 伏频 谱 在 高频 段 以 相 同 的 幂 指数 关 系下 降 ， 指 数 的绝 对 值 与 湍 流 内 尺度 的大 小 呈 线 性 关 系 ， 着 内尺 度 的 增 幂 随
湍 流 内尺 度 对 光 波 起 伏 频 谱 的 影 响
李 岩 ， 强希文 ， 宗 飞 ， 赵军卫 ， 韩 燕 ， 胡月宏 ， 冯建伟
（ ．解 放 军 ６ ６ ５ 队 。 鲁 木 齐 ８ １０ ； ２ 】 ３５ 部 乌 ４ ０ ．西安 交 通 大 学 电 子 与信 息 工 程 学 院 ，西安 ７０ ４ ） ７ １０ ９
ｌ 湍 流 内尺 度 测 量原 理
经局地 均匀且 各 向同性湍 流传输 的平 面光波 ， 在满 足 几何 光 学近 似 的条 件 下 ， Ｌ《 踞／ ， 中 ， 即 ａ其 为 光波 波长 ， 其到 达角起 伏方差 为
（ ａ ）一 ＜ ＞＝ ３ ２ Ｃ Ｌ ７ ＝ ． ８ ￣ ｌ㈠ ＝ （） １