光在湍流大气中的传播

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大气湍流中的激光传输

使用适应性强的接收器
要点一
总结词
使用适应性强的接收器可以捕获更多信号，降低噪声和干扰。
要点二
详细描述
在湍流大气中，光束的形状和强度可能会快速变化。因此，使用适应性强的接收器非常重要。这种接收器能够快速响应光束的变化，并捕获更多的信号能量。此外，接收器还应具有较低的噪声和干扰水平，以提高信号检测的准确性。通过结合适应性强的接收器和适当的信号处理技术，可以进一步改善激光传输的性能，提高通信和探测系统的可靠性。
激光遥感技术能够实现高分辨率、高精度的目标成像，为地理信息获取、资源调查等领域提供支持。
穿透性强
激光的波长较短，能够穿透一定厚度的云层和植被，因此在气象预报、森林防火等领域有广泛应用。
实时监测
激光遥感技术能够实现实时、动态的目标监测，为灾害预警、环境保护等领域提供及时的信息支持。
THANK YOU
大气湍流的特性
总结词
大气湍流的特性包括随机性、非线性和尺度变化等。
详细描述
大气湍流的随机性表现在流场中各点的速度和方向都是随机的，无法预测下一个时刻的状态。非线性则是指湍流中各种物理量之间的相互作用是非线性的，导致流场的复杂性和混沌性。此外，大气湍流还具有尺度变化的特性，从小尺度到大气边界层，湍流的作用范围广泛。
04
大气湍流中激光传输的改善方法
提高激光功率
总结词
提高激光功率可以增强信号强度，减少因大气湍流引起的信号衰减。
VS
详细描述
通过使用更高功率的激光器，可以增加信号的能量，从而提高在湍流大气中传输的信号强度。这有助于克服湍流引起的光束漂移和扩展，降低误码率，提高通信和探测系统的性能。
优化光学系统设计

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.

湍流大气中空间部分相干奇异光波的传输

第35卷，增刊红外与激光工程2006年10月、，01．35Su pp l e m e n t I n疳ar ed a nd Las er E ngi nee r i n卫O ct．2006湍流大气中空间部分相干奇异光波的传输张逸新1，汤敏霞2(1．江南大学理学院，江苏无锡214122；2．江南大学情报研究所，江苏无锡214122)摘要：自由空间中带有光学涡的部分相干光的传输特性是影响大气光通信系统性能的关键因子之一。

基于弱湍流大气中光波传输的R yt ov方法和部分相干光的互相干函数的交叉谱密度函数近似，研究了带有“光学涡”的空间部分相干拉盖尔一高斯光束在湍流大气中的传输特性，得出了弱湍流大气中传输的部分相干光束互相干函数和平均光强空间分布的解析关系。

研究结果表明，弱湍流大气起伏仅仅影响这类光束相干函数的幅值，不改变光束光学涡的分布特征。

关键词：湍流大气；部分相干光；交叉谱密度；中图分类号：T N929．12，n奶58．98，P407．5，P427．1+13平均光强Pr opaga t i on of par t i aU y coher ent s i ngul am y beam s i n钿r bul ent at I I l ospher eZ H A N GY i．xi I l l．TA N G M i l l．xi a2(1．S chooI of Science，Sou t hem Y抽gt ze U n i vcr s it y，W ux i214122，Ch i n a；2，I嘣岫忙of com m岫i c砒i on R cs能r ch cent他ofcon仃oI scien∞＆Engineer ing，s ou恤mⅦ咖uniV哪咄wlⅨi214122，C hi岫A bst豫ct：T he pr o pagat i on pr oper t i e s of t11e pan i al l y co her en t si l l gul ar i t y be am s t hr o ugh a缸nos pher i c t I l r bul e nc e ar e ke y ef佗c t-f沁t or s of at m ospher i c t ur bul ence on行ee s pace opt i c al com m uni cat i ons s yst em s．B aS ed on t he R yt oV appr oxi m at i on锄d t he印pr oxi Il l at i on of cr oss-s pec仃a l dens i t y f or t he m ut ual coherence funct i on of m e pani al l y coh er ent f i el d，t he pr叩agat ion prope rt i e s of t he pa r t i al l y coh er ent Laguel l r e-G auss be am s w i t h opt i ca l V or t i ce s i n t ur bul e nt annospher e ar e di s cuss ed．Ex pr ess i on s f or aV erage i nt ens时and t he m ut ual coherence f ul l ct i on of pan i al l y coh er ent f i e l d w hen be锄s pr o pagat i on i11w ea k t ur bul e nt at m os pher e ar e ob t ai ned f r om t he cr o ss—s pect r al dens i t y缸nct i on．n i s s how n t ha t t he V o r t ex st nJ ct ur e of t he aV erage cr o ss—s pect r al densi够of par t i al l y coh er entL aguer r e-G aus s bea m s has廿l e s锄ehel i c oi da l l y s hape w i t h t ha t of t lle phase of m e fhl l y co her en t Laguerr e—G aussbeam，w hi ch is pr opag at i on i n f he s pace，卸d t he r el at i V e i nt ens i够of t he beam i s degr aded by opt i ca l vonex．K e y w or ds：T hr bul ent a缸nosphe r e；Pa rt i al l y coher ent be锄；C r oss s pec仃a l dens i t y；A V er age i ntens毋0引言无线大气光通信是现代通信技术的重要分支之一，而大气无线光通信系统的性能因大气湍流的干扰而受到限制。

厄米-高斯光束通过湍流大气的传输特性

（）４
（／ｅｐ＿（。＋：］（）Ｙｗ）ｘ［／ｙ），２ｏ２／
收稿ｉ期：０７— ３— ６ｊ２０００
基金项目：罔家自然科学基金（０７０８和四川教育厅自然科学重点基金（０５０３资助项目６７８４）２０Ａ９）
ｅｐｉ［尺一，）ｘ｛（ｋ１一（Ｒ一，）］（｝× ２／２）ｅｐ（】Ｒ（２Ｒ］ｘ［，，）＋，，）．
又因为如下结果ｌ＿
若令Ａ＝１则初始场光强可表示为。，
，（０ｙ，０，０：＝０）＝ＵＵ０ｏ＝Ｈ（ｏ）× ：／
关键词：厄米．（．光束；高斯ＨＧ）湍流大气；传输特性
中图分类号：４５０３文献标识码：Ａ文章编号：０１８９（０８０－２７０１０ —３５２０）２００－４
激光束在湍流大气中的传输是一个有重要理
论和实际应用意义的课题，此已进行了许多研对
质量的影响．文考虑了更一般的情况，本即研究了任意阶ＨＧ光束在湍流大气中的传输特性， — 得到一
些对实际激光远程大气传输应用有意义的结果
其中表示复共轭．
利用广义惠更斯一菲涅耳原理， — ｊＨＧ光束通
过大气湍流传输的光场分布为
１光束在湍流大气中的三维光强传输方程
Ｈ（ｏｅ［０５／：ｙ），（）Ｙｗ）ｘ一．（０＋０：］１／ｐ２２／
其中，Ａ是光束在三０平面处的振幅，是任意的

贝塞尔光束在湍流大气中传输的实验研究

一
■ ■
ｃ２ｌ向．ｓｓ反ｄ．ｓｓＩ２ｌ司向
随机位相板ｓ、２和ＣＤ都放在范围ｚ内。１ｓＣ一
ｚ由下式决定：一
图２１阶高斯一贝塞尔光束在不同湍流环境下的传输实验
ｚ南一＝

（１）
其中ｎ为轴棱锥折射率，为轴棱锥地面半径，ａ
ＹＡＮＧＲｏｇｑｎｎ－ｉｇ【ｂｔｃ】Ｇｕｓｎｂａｓａｓｇｔｒｕｈｓｉｌｈｅｐｔａｄｈｇ—ｒｅＢｓｅｂａｘｓｙａｉａａａｌ．ｎｔｅＡｓｒｔａａｓａｅｍｓｉｈｏｇｐａｐａｌｅｎｉｈｏｄｒｅｓｅｍａｉｐｒｍｄｖｉｂＩｉｐｎｒｓａｌｌｅｈ
ｃａｇｌａｆｃｈｅｓｌｅｍｒｎｍｉｓｎ，ｔｓｈｒｕｂｅｃｉｅｕｅｔｅＢｓｅｅｍｏｅｅｃ．ｈｎｅｗｉｆｅｔｔｅＢｓｅｂａｔａｓｓｉａｍｏｐｅｃｔｒｕｎｅｗｌｒｄｃｈｅｓｌａｃｈｒｎｅｌｏｉｌｌｂ
ａｏａｏｙｓｌｂｒｔｒｉｌｔｎｏｔｓｈｒｃｔｒｕｅｃｎｏｓｕｙｔｅＢｓｅｅｍｎｔｅｔａｓｓｉｎｃａａｔｒｔｓｏｅｔｒｍｕａｉｆｍｏｐｅｕｂｌｎｅａｄｔｔｄｈｅｓｌａｉｈｒｎｍｉｓｈｒｃｅｉｉｆｈｕ — ｏａｉｂｏｓｃｔｂｌｎｔｓｈｒ．ｏｕｅｎｔｅｓｒｎｔｆｔｒｕｅｃｎｏｏｏｉａｃａｇｅｔｒａｉｎｃａｇｓｉｈｕｅｆｕｅｔｍｏｐｅｅＦｃｓｄｏｈｔｅｇｈｏｕｂｌｎｅａｄｔｐｌｇｃｈｒｅｐｒｕｂｔｈｎｅｎｔｅｎｍｂｒｏａｌｏＢｓｅｅｍｒｐｇｔｎｐｏｅｔｓＥｘｅｍｅｔｈｗｈｔｔｒｕｅｃｎｅｓｔｎｈｕｅｒｏｏｏｏｉａｈｒｅｅｓｌａｐｏａａｉｒｐｒｉ．ｐｒｎｓｓｏｔａｕｂｎｅｉｔｎｉａｄｔｅｎｍｂｆｔｐｌｇｃｃａｇｂｏｅｉｌｙｌ

大气光学知识点总结大全

大气光学知识点总结大全一、大气光学基础知识1. 光的传播特性光在地球大气中的传播受多种因素影响，包括折射、散射、吸收、色散等。

这些影响因素会导致光的传播方向、强度和频谱发生变化，对于光学系统的设计和应用都具有重要意义。

2. 大气介质地球大气是光学器件的一个重要参考介质，其密度、温度、湿度等参数对光学系统的性能有着重要影响。

了解大气介质的特性，对于光学系统的设计和定位至关重要。

3. 光的散射和吸收大气中的气体、气溶胶和云等对光的散射和吸收现象在大气光学中占据着重要位置。

它们会影响光的传播路径和范围，对于气象、环境、通信等方面都有重要意义。

4. 大气透明度大气透明度是指大气对可见光的透射率，它受大气中的气体、颗粒和水汽含量等因素的影响。

了解大气透明度对于天文观测、遥感探测等有着重要的意义。

5. 大气湍流大气湍流是指大气中由温度、密度、风速等不均匀性引起的湍流运动现象。

它会导致大气中的光场发生畸变，对光学系统的分辨率和性能都具有重要影响。

二、大气光学技术与应用1. 大气光学探测技术大气光学探测技术是指利用光学方法对大气进行观测和监测的技术。

包括大气透明度测量、大气散射与吸收特性研究、大气湍流分析等。

这些技术对于气象、环境监测等领域具有重要的应用价值。

2. 望远镜大气校正技术望远镜是天文观测和遥感探测中常用的光学设备，但由于大气的影响，其分辨率和成像质量会受到影响。

大气校正技术是指利用大气光学原理对望远镜成像进行补偿和校正的技术，使得成像质量更加清晰和准确。

3. 大气折射校正技术激光通信、光电远程探测等领域需要通过大气进行信息传输，但由于大气折射效应的影响，光信号会发生偏移和扩散。

大气折射校正技术是指利用大气光学原理对光信号进行校正和补偿的技术，使得光信号传输更加可靠和稳定。

4. 大气光学遥感技术大气光学遥感技术是利用光学方法对大气成分、温度、湿度等参数进行遥感探测的技术。

包括红外遥感、紫外遥感、光谱遥感等方法，对于环境、气象、气候等领域都有着重要的应用价值。

部分相干环状平顶光束在大气湍流中的传输特性

而被人们重视．文献［］出：５指环状激光束在湍流
中的扩展与光源参数、Ｎ、Ｍ、Ａ有关．在本文中，我们研究部分相干环状平顶光束
＜ｅｐ（，ｌｚ，，２）ｘ［，，，）＋ｌ（，，］＞．
ｅｌＪ。［Ｊ￣，）Ｉｘ一。１０Ｉ一１ｄ．ｐＪ一（．］Ｋｒ
２１年４月０１第３０卷第２期
重庆文理学院学报（自然科学版）
ＪｕａｏｈｎｑｎｎｖｒｔｏｒｎｃｎｅＮｔｒｌｃｅｃｄｔｎｏｒｌｆｏｇｉｇＵｉｓｙｆｔａｄＳｉｃｓ（ａａＳｉｎｅＥｉｏ）ｎＣｅｉＡｓｅｕｉ
别为源场处（Ｚ＝０）和远场处的二维矢量坐标，
Ｗ（，：。＝０ｒｒ，）为源场叉谱密度函数，为波数（＝２＇，Ａ）（，，）表示大气湍流对球面波影ｎ／，，，。响的随机相位因子，＜＞表示系综平均，且
（５）
（。
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一孚（．Ｍ）＝，
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ｔ＝ｎ
其中
ｚ－０＝）
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（１１）
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Ｅ．ｐ（ｘ＿ａ【Ｗ）ｅ】・
（）６
图Ｉ源场处部分相干环状平顶光束光强为分布等高图．中，：０９，。＝００及Ｍ其．Ｗ．８ｍ

第二章光在湍流大气中传输的理论概述

2.1 大气折射率在光学频率范围内，对流层（高度<17km）中的地球大气的空气折射率表示如下：n=1+77.6（1+7.52×10-3λ-2）（p/T）×10-6 （2.1）式中，p是以mbar为单位的大气气压，T是热力学温度，λ是以μm为单位的光波波长，由于地面上温度对n1（r）的贡献＜1%，故（2.1）式中忽略了与水汽压相关的项，当然这一项对水上传播光路是不可忽略的。

2. 2 大气湍流描述自然界中的流体运动存在着二种不同的形式：一种是层流，看上去平顺、清晰，没有掺混现象；另一种是湍流，看上去毫无规则，显得杂乱无章。

例如，如果流体以一定的速度流过一个管子，我们可以用带颜色的染料对它进行观察，在流体速度低的时候，流线光滑面清晰，流体处于层流状态；不断增加流体速度，当流速达到一定值时，流线就不再是光滑的了，整个流体开始作不规则的随机运动，流体处于湍流状态。

自从1883 年Reynolds 做了著名的湍流实验以来，以Monin-Obukhov 提出的相似理论、Deardorff 提出的大涡模拟、美国Kansas 州观测实验等为代表，大气湍流的研究已经取得了很大的进展和丰硕的成果，并在天气、气候研究和工程实际中获得成功地应用。

湍流对大气中声、光和其它电磁波的传播具有极为重要的影响，例如湍流风速、温度和湿度的脉动都会引起声音散射和减弱，大气小尺度光折射率的起伏(称为光学湍流)，会严重影响光的传播和光学成像的质量等等。

长期以来，以Tatarskii 的工作为代表，声光电传播的湍流效应大都是按照Kolmogorov 的均匀、平稳和各向同性假设处理的，而实际的湍流经常不满足这些假设，要建立更加完善的波动传播模型就必须考虑湍流的各向异性、以及间歇性的影响。

2. 3 折射率湍流模型在湍流大气中，折射率在不同地点、不同时刻都是变化的。

一方面，我们还不可能对这些变化作出预测；另一方面，即使已知这些变化，要对所有时刻、所有地点的值作出描述实际上也是不可能的。

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大气端流
大气的随机运动造成了大气湍流，其主要起因是地球表面对气流拖曳造成的风速剪切、太阳辐射对地球表面不同位置加热的差异或地表热辐射导致的热对流、包含热量释放的相变过程造成的温度和速度场的改变等。
2.1大气折射率和湍流的影响
光波在大气中传播所呈现的一切性质的改变来源于空气折射率的影响。空气的折射率由空气的密度决定。空气主要的变化因素是水汽和二氧化碳。对空气折射率的研究，目前通用的计算空气折射率的公式是基于 Edlén 和 Ciddor 的结果.
3.1强度起伏(大气闪烁)
激光束通过有湍流的大气传输时,其强度、相位和传输方向会受到扰动而出现相应的随机变化,当光束截面内包含许多瑞流涡旋,引起光束强度起伏、相位起伏和光束扩展。
3. 2激光束的漂移
湍流大气中光斑的形变特征最为常见的是光斑漂移. 顾名思义，漂移反映了光斑空间位臵的时间变化. 光斑漂移对激光在大气中的工程应用，如光学跟踪系统，具有重要的影响 .
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.
(l0 L L0 ) ( L L0 ) (l0 L L0 ) ( L L0 )
对平面波
对球面波
一般地，波长短，闪烁强，波长长，闪烁小。当湍流强度增强到一定程度或传输距离增大到一定限度时，闪烁方差就不再按上述规律继续增大，却略有减小而呈现饱和，故称之为闪烁的饱和效应。
谢谢！
光在湍流大气中的传播
姓名：
XX
专业班级：2015级 xxxx
一.前言
大气湍流引起的折射率随机起伏将导致激光束光场的随机变化，它会严重限制不同光学工程系统的使用性能，甚至决定光学工程系统的技术可行性。因此，研究光在大气传输湍流效应具有重要的理论和应用意义。
二. 大气端流
大气层中空气密度规则起伏称为大气湍流。湍流对光束传输的影的影响称为湍流效应。如在地球表面，热空气上升，冷空气下沉，形成空气对流。
2.3光束的弯曲和漂移
光束漂移在接收平面上，光束中心的投射点（即光斑位臵）以某个统计平均位臵为中心，发生快速的随机性跳动（其频率可由数赫到数十赫）若将光束视为一体，经过若干分钟会发现，其平均现象亦称天文折射，主要受制于大气折射率的起伏。弯曲表现为光束统计位臵的慢变化，漂移则是光束围绕其平均位臵的快速跳动。
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
实际测量得到。
在弱湍流且湍流强度均匀的条件下：
2 1.23Cn (2 )6/7 L11/6 2 6/7 11/6 12.8 C (2 ) L n 2 2 I 4 2 6/7 11/6 0.496Cn (2 ) L 2 6/7 11/6 1.28 C (2 ) L n
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.