强湍流效应下激光大气传输短曝光光斑统计分析
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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。
激光大气湍流传输光强起伏及光斑面积实验分析
娄 岩 ， 会 林 ， 纯 毅 ， 首峰 姜 陈 佟
（ 春 理 工 大 学 空 间 光 电 技 术研 究 所 ， 林 长 春 １０ ２ ） 长 吉 ３０ ２
摘 要 ：利 用 激 光 大 气 通 信 系统 在 长春 市 区进 行 了 近 地 面激 光 大 气 传 输 实验 ， 对 接 收 不 同孔 径 的 光
面 积 随 着 统 计 数 据 分 布 的 规 律 可 以 看 出 ， 比 ２ ０ｉｎ 的 接 收 孔 径 ， 收 孔 径 为 ５ ｎ 时 统 计 方 差 大 相 ０ ｎ 接 ５ｉｎ
大 降 低 ， 明 大 孔 径 接 收 时 光 斑 面 积 要 大 ， 有 效 抑 制 光 斑 面 积 随 时 间 的 起 伏 效 应 ， 得 的 结 果 对 大 说 可 所
第 ４ ０卷 第 ３期
Ｖ ｏ ．０ Ｎ Ｏ． １４ ３Βιβλιοθήκη 红 外 与 激 光 工 程
Ｉ ｆａ ｅ ｎ ｓ ｒＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ｎ ｒ ｒ ｄ ａ ｄ Ｌａ ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ
２ １ ０ １年 ３ 月
Ｍ ａ ．２ ｒ ０１１
激 光 大 气 湍 流 传 输 光 强 起 伏 及 光 斑 面 积 实 验 分 析
Ｌｏ ｎ ｉｎｇ Ｈｕ ｌ ｕ Ｙａ ，Ｊａ ｉ ｎ，Ｃｈ ｎ Ｃｈ ｎ ｉ ｉ ｅ ｕ ｙ ，Ｔｏ ｇ Ｓ ｏ ｆ ｎ ｎ ｈ ｕｅｇ
（ｎ ｔｕｅ ｏ ｐ ｃ － ｐｉｓ ａ ｄ Ｅ ｅ ｔ ｎｃ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｈ ｎ ｃ ｕ ｉｅｓ ｙ ｏ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｈ ｎ ｃ ｕ ３ ０ ２ Ｃ ｉａ Ｉ ｓ ｔｔ ｆ Ｓ ａ ｅ ｏ ｔ ｎ ｌｃｒ ｉ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｃ ａ ｇ ｈ ｎ Ｕｎｖ ｒ ｔ ｆ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｃ ａ ｇ ｈ ｎ １ ０ ２ ， ｈｎ ） ｉ ｃ ｏ ｓ ｉ
（ 春 理 工 大 学 空 间 光 电 技 术研 究 所 ， 林 长 春 １０ ２ ） 长 吉 ３０ ２
摘 要 ：利 用 激 光 大 气 通 信 系统 在 长春 市 区进 行 了 近 地 面激 光 大 气 传 输 实验 ， 对 接 收 不 同孔 径 的 光
面 积 随 着 统 计 数 据 分 布 的 规 律 可 以 看 出 ， 比 ２ ０ｉｎ 的 接 收 孔 径 ， 收 孔 径 为 ５ ｎ 时 统 计 方 差 大 相 ０ ｎ 接 ５ｉｎ
大 降 低 ， 明 大 孔 径 接 收 时 光 斑 面 积 要 大 ， 有 效 抑 制 光 斑 面 积 随 时 间 的 起 伏 效 应 ， 得 的 结 果 对 大 说 可 所
第 ４ ０卷 第 ３期
Ｖ ｏ ．０ Ｎ Ｏ． １４ ３Βιβλιοθήκη 红 外 与 激 光 工 程
Ｉ ｆａ ｅ ｎ ｓ ｒＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ｎ ｒ ｒ ｄ ａ ｄ Ｌａ ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ
２ １ ０ １年 ３ 月
Ｍ ａ ．２ ｒ ０１１
激 光 大 气 湍 流 传 输 光 强 起 伏 及 光 斑 面 积 实 验 分 析
Ｌｏ ｎ ｉｎｇ Ｈｕ ｌ ｕ Ｙａ ，Ｊａ ｉ ｎ，Ｃｈ ｎ Ｃｈ ｎ ｉ ｉ ｅ ｕ ｙ ，Ｔｏ ｇ Ｓ ｏ ｆ ｎ ｎ ｈ ｕｅｇ
（ｎ ｔｕｅ ｏ ｐ ｃ － ｐｉｓ ａ ｄ Ｅ ｅ ｔ ｎｃ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｈ ｎ ｃ ｕ ｉｅｓ ｙ ｏ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｈ ｎ ｃ ｕ ３ ０ ２ Ｃ ｉａ Ｉ ｓ ｔｔ ｆ Ｓ ａ ｅ ｏ ｔ ｎ ｌｃｒ ｉ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｃ ａ ｇ ｈ ｎ Ｕｎｖ ｒ ｔ ｆ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｃ ａ ｇ ｈ ｎ １ ０ ２ ， ｈｎ ） ｉ ｃ ｏ ｓ ｉ
激光在湍流大气中传输的闪烁系数及其测量
激 光 在 湍 流 大 气 中传 输 的 闪烁 系数 及 其 测 量
王佳斌， 刘永欣 ， 蒲继雄
（ 侨 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 ， 建 泉 州 ３ ２２ ） 华 福 ６０ １
摘
要 ： 理 论 研 究 了 激 光 光 束 经 过 湍 流 大 气 后 闪 烁 系 数 的变 化 规 律 ， ＡＲ 以 Ｍ７的 嵌 入 式 系 统 构 建 数 据
采集 模 块 ， 采 集 激 光 光 强 因 为 大 气 湍 流 影 响 而 变 化 的数 据 的 基 础 上 对 存 储 的 数 据 使 用 闪 烁 系 数 数 学 模 型 进 在 行运 算 ， 算 结 果 通 过 网 络 传 输 ， Ｐ 运 由 Ｃ端 的界 面 显 示 变 化 曲 线 ， 而 了 构 造 一 个 可 以 感 测 大 气 湍 流 的 远 程 探 从 测 系 统 。 用 转 动 的 相 位 板 模 拟 湍 流大 气 ， 用 所 开 发 的测 试 系 统 测 量 激 光 光 束 通 过 湍 流 大 气 后 的 闪 烁 系 数 。 利 实验 结 果 显 示 高 斯 光 束 在 湍 流大 气 中 的 闪 烁 系 数 随 传 输 距 离 的 增 加 而 增 大 ， 理 论 模 拟 结 果 基 本 相 符 。 由 此 与
Ｌ ８ ｆ ０１２。４］Ｃ 詈ｃ （ ） ６ ｏ ［＋＠＋Ａ５Ｏ ａａ ． （ ） ２１Ｓ ｒｎ ４ ／ 『 ｔ ２
式 中 ： 为 Ｒｙｏ ａ ｔｖ方差 ， 表示 平 面波 在 弱湍 流 中 的 闪烁 也 系数 ， ｝一 １ ２ ｃ ｋ邝 ， ． ３ ￣ Ｌ“ 志一 ２ｒＸ 为入 射 波长 ， ， ７ ／ 是为
可 见 该 系 统 工 作 可 靠 稳 定 ， 实 时 测 量 激 光 光 束 经 过 湍 流 大 气 的 闪烁 系数 。 可 关键 词 ： 大 气 光 学 ； 湍 流 大 气 ； 闪 烁 系 数 ； 嵌 入 式 系 统 ； 网络 传 输
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.
湍流大气中动态激光散斑的数值模拟
湍流大气中动态激光散斑的数值模拟韩星星【摘要】首先在分步傅里叶算法中引入了时变相位屏,模拟了真空中漫射平面激光回波动态散斑场,统计计算了真空散斑场的空间和时间相关函数,分析了目标运动速度和发射波束半径对散斑相关特性的影响.然后根据冻结场理论,模拟了湍流大气中激光波束照射漫射面的回波动态散斑场,分析了风速对散斑特性的影响.结果表明,相关长度由目标上的光斑尺寸决定,光斑越大,接收面上的散斑越小.而相关时间不仅受目标平面上的光斑尺寸影响,还受目标平面上的光场相位影响,光场相位随着位置的变化越快,相关时间就越短.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2015(045)004【总页数】5页(P359-363)【关键词】大气光学;散斑模拟;分步傅里叶算法;相关函数【作者】韩星星【作者单位】西安交通大学城市学院,陕西西安710018【正文语种】中文【中图分类】TN2491 引言利用目标激光散斑特征对目标的运动特征进行检测在军事和民用领域具有重要的应用价值。
自20世纪80年代以来，国内外大批学者对漫射平面、圆柱、圆锥、球等多种目标平动、转动以及振动状态下的散斑特性进行了大量的理论和实验研究［1－2］。
随着计算机技术的发展，数值模拟逐渐成为一种重要的研究手段，2004年李小兵等人提出了利用激光散斑实时测量目标散射面角振动的原理，并从干涉条纹的角度对仿真参数进行了分析，模拟了两个散射元的情况［3］。
但是这种模拟方法由于效率太低而无法用于大量散射元情况。
1999年程传福等人对高斯随机表面光散射产生的散斑场进行了模拟并分析了散斑光强的概率密度函数［4］，但是该算法只适用于夫琅和费区。
在实际应用中，激光的发射和接收通常都是在大气环境下进行的，受到大气湍流的影响，激光会发生闪烁、漂移、展宽等现象。
这些现象对目标回波散斑特征产生不可忽视的影响。
经过几十年的研究，人们已经发展出了几何光学、Rytov近似、Markov近似等解析方法来计算激光的传输特性，但它们都是在一定条件下的近似，其适用范围有限。
光在湍流大气中的传播
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.
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
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。
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
谢谢！
(l0 L L0 ) ( L L0 ) (l0 L L0 ) ( L L0 )
对平面波
大气湍流中的激光传输
I cn
1 n
I
i 1
n
i
若各束光的起伏互不相关，且假定每束光光强的起伏方差为σI2，则有：
1 2 I n
2 nI
即n束互不相关的光叠加后所形成的对数光强起伏方差与单束 光的对数光强起伏方差相比方差减小了n倍。
多光束传输对光强起Байду номын сангаас和光束漂移的改善
对于利用多光束客服光束漂移方面，采用多光束之后，即使有部分光超出了接收 探测器的范围，由于光束之间互不相关，其余的光束也有可能进入探测器范围内， 进而减少光束漂移带来的负面影响。如果n束参数相同的光经过湍流之后传输到目 标面上，n束光所形成的光斑的重心为各束光各自光斑重心的叠加：
大气湍流中的激光传输
xXXXXXXXXX
背景和意义
由于激光特有的高强度、高单色性、高相干性、高方向性等 诸多特性，因此在激光通信中有着容量更大、波束更窄、增益 更高、抗干扰性更强和保密性更好等优点。 近年来，激光的近地应用，如激光通讯、激光测距、激光制导、 激光雷达等，已得到了很好的发展。
但大气湍流引起的折射率随机起伏导致激光束光场的随机变 化，严重限制了不同近地激光工程系统的使用性能。
1 n xcn xci n i 1
若各束光的漂移互不相关，并且假设每束光的光斑重心漂移的方差为σρ2，则n束 光叠加之后的光束漂移方差：
n 1 2 n2 n i 1
即n束漂移互不相关的光叠加后所形成的光斑重心漂移与单束光的光斑重心漂移相 比，方差减小了n倍。
多光束传输的数值模拟
3
光束漂移
主要起因于大尺度涡旋折射率的作用。 如果在接受平面上，取一个足够 短的观察时间，我们可以看到一个直径为ρs的被加宽的光斑被折射而偏离 了一个距离ρc。
大气湍流中的激光传输
n( p,T , ) 1 77.6(1 7.52 103 2 )( p / T ) 106
折射率结构常数Cn2: 描述折射率湍流强度的系数
强湍流 弱湍流 中等湍流
Cn2>2.5x10-13 Cn2<6.4x10-17 2.5x10-13>Cn2>6.4x10-17
近地面的大气湍流状态会随着地面状况和天气而有所变化。
大气湍流的成因
·
▶热力原因：地面的太阳加热使暖空气热泡 上升，形成湍涡。
▶动力原因：地面对气流的摩擦拖 曳力产生风切变，常常演变为湍流。
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，且 由于湍流介质的随机性和复杂性，我们都必须研究大气湍流折射率的问题。 在光学波段范围内，对流层（高度<17km）中大气的空气折射率可用下式 描述：
大气湍流中的激光传输
xXXXXXXXXX
背景和意义
由于激光特有的高强度、高单色性、高相干性、高方向性等 诸多特性，因此在激光通信中有着容量更大、波束更窄、增益 更高、抗干扰性更强和保密性更好等优点。 近年来，激光的近地应用，如激光通讯、激光测距、激光制导、 激光雷达等，已得到了很好的发展。
但大气湍流引起的折射率随机起伏导致激光束光场的随机变 化，严重限制了不同近地激光工程系统的使用性能。
4径或面积的变化。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。
谢谢大家！
大气湍流对激光传输的影响
2
相位起伏和到达角起伏
大气湍流对激光信号影响的数值模拟
・光纤及 光 通讯技影 响 的数 值 模 拟
朱 耀麟 ， 宋 苗
（ １ ．西安工程大学电子信息学院 ， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ４ ８ ； ２ ．西安理工大学 自动化与信息工程学院 ， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ４ ８ ）
摘 要 ： 为 了分 析 大气 湍流对 传 输在 其 中的激 光信 号 的影 响 ， 依 据 随机信 号 与随机 过程 的相 关 理论 ， 推 导 出无线 激光 通信 系 统 的信 噪 比 （ Ｓ Ｎ Ｒ） 、 误码率（ Ｂ Ｅ Ｒ） 的计 算 公 式 ， 探 讨 闪烁 指 数 、
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ａ ｔ ｍｏ ｓ ｐ ｈ ｅ ｉｃ ｒ ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｎ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ， ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ
ｉｖｅ ｒ ｄ ｆ ｏ ｒ ｗｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｃ ｏ ｍｍ ｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ， ｔ ｈｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｓ ｃ ｉ ｎ ｔ ｉ ｌ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｄｅ ｘ， ａ ｔ ｍｏ ｓ ｐｈ ｅ ｉｃ ｒ ｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｗａ ｖ ｅ ｌ ｅ ｎｇ ｔ ｈ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ＳＮＲ ａ ｎｄ ｔ ｈｅ ｂ ｉ ｔ ｅ ｒｏ ｒ ｒ ａ ｔ ｅ ｉ ｓ ｅ ｘ ｐｌ ｏ ｒ ｅ ｄ， ａ ｎ ｄ ｕ ｎ ｄｅ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｍｏｓ ｐ ｈｅ ｒ ｉ ｃ ｓ ｔ ｕｃ ｒ ｔ ｕ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎｓ ｔ ａ ｎｔ ａ ｎ ｄ
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?) 透射后被哈特曼传感器接收 ! 并利用到达角起伏与大气相干长度的关系反演出大气相干长度 ( $
O C ’ !!4 < % F @% N E Q E = C G E M @ < & A A @ E G P J H J 图 !! 实验系统原理图
) * * ? > * R > # *& ) * * + > * ! > * ? " 收稿日期 ! !! 修订日期 ! 基金项目 ! 国家 L 中国科学院合肥研究院物质计算科学中心资助课题 K # 计划项目资助课题 & 作者简介 ! 刘建国 " ! 男! 硕士 ! 主要从事激光大气传输的数值模拟研究 & 合肥 ! % ! R " ++# ! ) + 信箱 ) 室 & 2 > G < C & & F S B & C F!! K #’ S % G$ J T P
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2# 大! " 这可能是由于数值计算中相干长度 是 一 个 定 值 " 而在实验中有限时间内测量的相干长度是有一定分布
的 $ 如图 * & ’ 所示 " 绝大多数的破碎光斑等效半径近似等于爱里斑半径 $ / & ’ 是破碎光斑等效半径的期望值随大气相干长度的变化 $ 由图可知 " 在强湍流效应下破碎光斑等效 . !! 图 ! 半径与爱里斑半径近似相等 $ 图 ! & ’ 是聚焦光束在强湍流效应下 & " 上行传输不同传输距离时所 / ! 20 )’ & 1!’ 得破碎光斑等效半径的期望值 $ 如图 ! 所示 " 破碎光斑等效半径的期望值与爱里斑半 径 的 比 值 几 乎 是 不 随 传 输距离变化的 " 即便是传输距离达到 ! 破碎光斑等效半径期望值仍与爱里斑半径相当 $ & &)"
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强
激
光
与
粒
子
束
第( 2卷
!! 数值结果与实验结果的对比分析
! "" ## $ !! 利用 ! 维传输程序对聚焦光束 湍 流 大 气 传 输 焦 平 面 处 短 曝 光 光 斑 的 光 强 分 布 特 征 进 行 了 数 值 分 析 计算网格为 $ 发射孔径处网格间距为 &’ 相屏数为! 计算中采用的系统参数与实验系统参数 " #%$ " #" & ( )" &%
!! 实验原理及光路图
波长为 K 经由平行光管 / # )’ LM G 的氦氖激光器 4 ! 发射一束激光 ! ! 扩束 成口 !! 如图 ! 为实验系统原理图 ! 径为 *’ 经分光镜 ; 由望远镜扩束成口径为 *’ 通过湍流大气 ! )G 的准直光束 ! !! ; ) 反射后 ! KG 的平台光束 ! 传输至 !’ 并透过分光镜 ; 利用 高 速 9 采样频 *B G 处! # 聚焦到漫反射屏 7 3 上! 9 7 拍 摄 漫 反 射 屏 上 的 光 斑! 率为 ) * & 同时氦氖激光器 4 经过分光镜 ; 最后经分光镜 ; + *N = < G A A ) 发射 一 束 激 光 ! # 反 射 沿 原 光 路 返 回! )
强湍流效应下激光大气传输短曝光光斑统计分析
刘建国 ! ! 黄印博 ! ! 王英俭
" 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 大气光学中心 ! 安徽 合肥 ) # # * * # !
"
对强湍流效应下激光大气传输焦平面短曝光光斑的统计特性进行了初 步 !! 摘 ! 要 ! ! 利用数值模拟的方法 ! 并与实验结果进行了对比 $ 结果表明 % 在强湍流效应下 ! 焦平面短曝光光斑破碎成一系列的小光斑 ! 这些 分析 ! 破碎光斑的等效半径与爱里斑半径近似相等 & 接收器中 心 置 于 光 轴 轴 心 处 ! 当接收孔径等于爱里 斑 直 径 时! 接 收的均值光强最大 $ !! 关键词 ! ! 激光传输 & ! 湍流大气 & ! 破碎光斑 & ! 爱里斑 * ! )!!!! 文献标识码 ! !! 中图分类号 ! !8( !5
#! 结 ! 论
对强湍流效应下激光大气传输焦平面短曝光光斑的统计特性进行了初步分析 ! !! 本文利用数值模拟的方法 ! 并与实验结果进行了对比 " 结果表明 ! 聚焦光束在强湍流效应下传输时 ! 焦平面短曝光光斑破碎成一系列小光 斑! 这些破碎光斑的等效半径与爱里斑半径相当 ! 并且在 强湍流 效应 下 ! 破 碎光 斑尺度 与 爱 里 斑 尺 度 的 比 值 几 乎不随大气相干长度和传输距离的变化而变化 " 接收器中心置于光轴轴心 ! 当接收孔径等于爱里斑直径时 ! 所
@ 7 ’ *!F 8 < / . / 7 > 7 3 5 , : 7 3 , B; 8 < / . / 7 > 7 3 C 3 4 5/ 8 < 5 ,: < 3 : 7 G 5 A 9B 9. 9< ; 图 *! 破碎光斑等效半径的概率密度分布及概率分布
第*期
刘建国等 * 强湍流效应下激光大气传输短曝光光斑统计分析
# $ % 图# # $ 分别是强湍流效应下 ! 接收孔径等于爱里斑直径时光强的概率 密度分 布与概 率分 布 " 由 . / !! 图 # 图# # $ 可以看到 ! 虽然探测器接收孔径等 于 爱 里 斑 直 径 时 所 接 收 到 的 均 值 光 强 最 大 ! 但探测器所接收到的均 . 值光强概率密度分布并非满足正态分布 ! 而是发生左偏 ! 即概率 密度 最大的 光强比 均 值 光 强 小 ) 大于均值光强 的概率远比小于均值光强的概率少 ! 如图 # # $所示 " /
* $ *
@ 7 ’ !!H ? 5 0 3 5 BI . > = 5< C/ 8 < 5 ,: < 3 8 . B 7 = : ( ) ! , BB 7 : 3 . , 0 5* A ; ; &. 图 !! 破碎光斑等效半径的期望值随大气相干长度及传输距离的变化
!’ !! 不同接收孔径内的光强起伏特征 进一步研究不同 接收 口径 时的光 强起伏 特征 " 图 "# $ % 图 "# 分别是光 . /$ !! 将接收器中心置于光轴轴心处 ! 强起伏的标准偏差和均值光强随接收孔径的变化 " 图中 ! 均值光强定 义为 & 式 中 - 是面积 ! +’ 1,-( -! ,- 是短 曝光图像中- 面积内的激光功率 ! & ’ 表示求系综平均值 ) + !0 ) 时爱里斑半径内的 0 表示大气相干长度! & 为 "’ 均值光强 " # $ 可知 ! 当接收孔径较小时 ! 由 于 大 气 湍 流 效 应 的 影 响! 其 接 收 的 光 强 起 伏 很 大! 随着接收孔径的 . !! 由图 " 增加 ! 光强起伏的标准偏差呈指数递减 ! 这是由于孔径的平滑效应所致 " 但由图 " # 可 以看到 ! 当 探测器 接收 /$ 孔径大于爱里斑直径时 ! 接收到的光强均值随着接收孔径的增大而接近线性地下降 ) 而当探测器接收孔径小于 爱里斑直径时 ! 均值光强随接收孔径的减小也快速地减小 " 这主要是由于接收孔径较小 ! 接收孔径内的光强起 伏很大 ! 探测器时而接收到光斑的亮 区 ! 时 而 接 收 到 光 斑 的 暗 区 所 致" 当 探 测 器 接 收 孔 径 约 等 于 爱 里 斑 直 径 时! 所接收到的均值光强最大 "
!) 激光空间通信研究中的重要课题之一 ( $ 定量研究空间激 光通 信中接收平 面 上 光 强 分 布 的 时 空 特 征 ! 了解大
以及合理选择探测器的接 收孔 径 ! 不但 可以降 低激 光 空 间 通 信 中 的 误 码 率 ! 提 气湍流所导致的光强起伏特性 ! 高通信质量 ! 还可为激光空间通讯 系 统 的 设 计 提 供 科 学 依 据 $8 利用 < @ < = A B C C在 柯 尔 莫 哥 洛 夫 理 论 的 基 础 上 !
激光空间通信以其发射光束窄 ’ 信息容量大 ’ 传输 速率快 ’ 覆盖空 间广 ’ 保密性能好等特点倍受人 !! 近年来 ! 们的青睐 $ 无论是地对地 ’ 地对空 ’ 还是空对地之间的激光通信 ! 必然要受到大气的影响 ! 如大气吸收与散射造 成激光能量的衰减 ! 大气湍流则严重地影响激光传输的 质量 $ 特 别是由 大气湍 流效 应 所 引 起 的 激 光 光 束 的 扩 展’ 漂移 ’ 以及光强起伏 " 闪烁 # ! 很可能会导致通信突发性 错误 ! 甚 至是 通信中 断 ! 因此 大 气 湍 流 效 应 已 经 成 为
一致 " 即传输波长为 # 望远镜的发射孔径为 &’ 水平传输距离为 (* $’ +, )" #)" )$ !’ "! 破碎光斑的尺度特征 为 方 便 比 较" 图 $& ’ 给出了数值模拟的 . !! 如图 $ 所示是激光湍流大气传输焦平面处 光 强 分 布 的 一 个 例 子 " 焦平面处爱里斑的大小 " 图$ & ’ 是在实验条件下数 值 模拟的一幅短曝光图像 " 图 $& ’ 是 实 验 观 测 结 果$可 以 / 0 直观地看到 " 在强湍流效应 & 大 气 相 干 长 度! 下" 聚焦光束焦平面处的短曝光光斑破碎成一 系 列 小 20 )’ & 1!’ 光斑 " 使得靶面上的光强分布极不均匀 $
O C ’ !!4 < % F @% N E Q E = C G E M @ < & A A @ E G P J H J 图 !! 实验系统原理图
) * * ? > * R > # *& ) * * + > * ! > * ? " 收稿日期 ! !! 修订日期 ! 基金项目 ! 国家 L 中国科学院合肥研究院物质计算科学中心资助课题 K # 计划项目资助课题 & 作者简介 ! 刘建国 " ! 男! 硕士 ! 主要从事激光大气传输的数值模拟研究 & 合肥 ! % ! R " ++# ! ) + 信箱 ) 室 & 2 > G < C & & F S B & C F!! K #’ S % G$ J T P
"卷!第#期 !第! * * +年#月 !)
强
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光
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子ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
束
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2# 大! " 这可能是由于数值计算中相干长度 是 一 个 定 值 " 而在实验中有限时间内测量的相干长度是有一定分布
的 $ 如图 * & ’ 所示 " 绝大多数的破碎光斑等效半径近似等于爱里斑半径 $ / & ’ 是破碎光斑等效半径的期望值随大气相干长度的变化 $ 由图可知 " 在强湍流效应下破碎光斑等效 . !! 图 ! 半径与爱里斑半径近似相等 $ 图 ! & ’ 是聚焦光束在强湍流效应下 & " 上行传输不同传输距离时所 / ! 20 )’ & 1!’ 得破碎光斑等效半径的期望值 $ 如图 ! 所示 " 破碎光斑等效半径的期望值与爱里斑半 径 的 比 值 几 乎 是 不 随 传 输距离变化的 " 即便是传输距离达到 ! 破碎光斑等效半径期望值仍与爱里斑半径相当 $ & &)"
* $ $
强
激
光
与
粒
子
束
第( 2卷
!! 数值结果与实验结果的对比分析
! "" ## $ !! 利用 ! 维传输程序对聚焦光束 湍 流 大 气 传 输 焦 平 面 处 短 曝 光 光 斑 的 光 强 分 布 特 征 进 行 了 数 值 分 析 计算网格为 $ 发射孔径处网格间距为 &’ 相屏数为! 计算中采用的系统参数与实验系统参数 " #%$ " #" & ( )" &%
!! 实验原理及光路图
波长为 K 经由平行光管 / # )’ LM G 的氦氖激光器 4 ! 发射一束激光 ! ! 扩束 成口 !! 如图 ! 为实验系统原理图 ! 径为 *’ 经分光镜 ; 由望远镜扩束成口径为 *’ 通过湍流大气 ! )G 的准直光束 ! !! ; ) 反射后 ! KG 的平台光束 ! 传输至 !’ 并透过分光镜 ; 利用 高 速 9 采样频 *B G 处! # 聚焦到漫反射屏 7 3 上! 9 7 拍 摄 漫 反 射 屏 上 的 光 斑! 率为 ) * & 同时氦氖激光器 4 经过分光镜 ; 最后经分光镜 ; + *N = < G A A ) 发射 一 束 激 光 ! # 反 射 沿 原 光 路 返 回! )
强湍流效应下激光大气传输短曝光光斑统计分析
刘建国 ! ! 黄印博 ! ! 王英俭
" 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 大气光学中心 ! 安徽 合肥 ) # # * * # !
"
对强湍流效应下激光大气传输焦平面短曝光光斑的统计特性进行了初 步 !! 摘 ! 要 ! ! 利用数值模拟的方法 ! 并与实验结果进行了对比 $ 结果表明 % 在强湍流效应下 ! 焦平面短曝光光斑破碎成一系列的小光斑 ! 这些 分析 ! 破碎光斑的等效半径与爱里斑半径近似相等 & 接收器中 心 置 于 光 轴 轴 心 处 ! 当接收孔径等于爱里 斑 直 径 时! 接 收的均值光强最大 $ !! 关键词 ! ! 激光传输 & ! 湍流大气 & ! 破碎光斑 & ! 爱里斑 * ! )!!!! 文献标识码 ! !! 中图分类号 ! !8( !5
#! 结 ! 论
对强湍流效应下激光大气传输焦平面短曝光光斑的统计特性进行了初步分析 ! !! 本文利用数值模拟的方法 ! 并与实验结果进行了对比 " 结果表明 ! 聚焦光束在强湍流效应下传输时 ! 焦平面短曝光光斑破碎成一系列小光 斑! 这些破碎光斑的等效半径与爱里斑半径相当 ! 并且在 强湍流 效应 下 ! 破 碎光 斑尺度 与 爱 里 斑 尺 度 的 比 值 几 乎不随大气相干长度和传输距离的变化而变化 " 接收器中心置于光轴轴心 ! 当接收孔径等于爱里斑直径时 ! 所
@ 7 ’ *!F 8 < / . / 7 > 7 3 5 , : 7 3 , B; 8 < / . / 7 > 7 3 C 3 4 5/ 8 < 5 ,: < 3 : 7 G 5 A 9B 9. 9< ; 图 *! 破碎光斑等效半径的概率密度分布及概率分布
第*期
刘建国等 * 强湍流效应下激光大气传输短曝光光斑统计分析
# $ % 图# # $ 分别是强湍流效应下 ! 接收孔径等于爱里斑直径时光强的概率 密度分 布与概 率分 布 " 由 . / !! 图 # 图# # $ 可以看到 ! 虽然探测器接收孔径等 于 爱 里 斑 直 径 时 所 接 收 到 的 均 值 光 强 最 大 ! 但探测器所接收到的均 . 值光强概率密度分布并非满足正态分布 ! 而是发生左偏 ! 即概率 密度 最大的 光强比 均 值 光 强 小 ) 大于均值光强 的概率远比小于均值光强的概率少 ! 如图 # # $所示 " /
* $ *
@ 7 ’ !!H ? 5 0 3 5 BI . > = 5< C/ 8 < 5 ,: < 3 8 . B 7 = : ( ) ! , BB 7 : 3 . , 0 5* A ; ; &. 图 !! 破碎光斑等效半径的期望值随大气相干长度及传输距离的变化
!’ !! 不同接收孔径内的光强起伏特征 进一步研究不同 接收 口径 时的光 强起伏 特征 " 图 "# $ % 图 "# 分别是光 . /$ !! 将接收器中心置于光轴轴心处 ! 强起伏的标准偏差和均值光强随接收孔径的变化 " 图中 ! 均值光强定 义为 & 式 中 - 是面积 ! +’ 1,-( -! ,- 是短 曝光图像中- 面积内的激光功率 ! & ’ 表示求系综平均值 ) + !0 ) 时爱里斑半径内的 0 表示大气相干长度! & 为 "’ 均值光强 " # $ 可知 ! 当接收孔径较小时 ! 由 于 大 气 湍 流 效 应 的 影 响! 其 接 收 的 光 强 起 伏 很 大! 随着接收孔径的 . !! 由图 " 增加 ! 光强起伏的标准偏差呈指数递减 ! 这是由于孔径的平滑效应所致 " 但由图 " # 可 以看到 ! 当 探测器 接收 /$ 孔径大于爱里斑直径时 ! 接收到的光强均值随着接收孔径的增大而接近线性地下降 ) 而当探测器接收孔径小于 爱里斑直径时 ! 均值光强随接收孔径的减小也快速地减小 " 这主要是由于接收孔径较小 ! 接收孔径内的光强起 伏很大 ! 探测器时而接收到光斑的亮 区 ! 时 而 接 收 到 光 斑 的 暗 区 所 致" 当 探 测 器 接 收 孔 径 约 等 于 爱 里 斑 直 径 时! 所接收到的均值光强最大 "
!) 激光空间通信研究中的重要课题之一 ( $ 定量研究空间激 光通 信中接收平 面 上 光 强 分 布 的 时 空 特 征 ! 了解大
以及合理选择探测器的接 收孔 径 ! 不但 可以降 低激 光 空 间 通 信 中 的 误 码 率 ! 提 气湍流所导致的光强起伏特性 ! 高通信质量 ! 还可为激光空间通讯 系 统 的 设 计 提 供 科 学 依 据 $8 利用 < @ < = A B C C在 柯 尔 莫 哥 洛 夫 理 论 的 基 础 上 !
激光空间通信以其发射光束窄 ’ 信息容量大 ’ 传输 速率快 ’ 覆盖空 间广 ’ 保密性能好等特点倍受人 !! 近年来 ! 们的青睐 $ 无论是地对地 ’ 地对空 ’ 还是空对地之间的激光通信 ! 必然要受到大气的影响 ! 如大气吸收与散射造 成激光能量的衰减 ! 大气湍流则严重地影响激光传输的 质量 $ 特 别是由 大气湍 流效 应 所 引 起 的 激 光 光 束 的 扩 展’ 漂移 ’ 以及光强起伏 " 闪烁 # ! 很可能会导致通信突发性 错误 ! 甚 至是 通信中 断 ! 因此 大 气 湍 流 效 应 已 经 成 为
一致 " 即传输波长为 # 望远镜的发射孔径为 &’ 水平传输距离为 (* $’ +, )" #)" )$ !’ "! 破碎光斑的尺度特征 为 方 便 比 较" 图 $& ’ 给出了数值模拟的 . !! 如图 $ 所示是激光湍流大气传输焦平面处 光 强 分 布 的 一 个 例 子 " 焦平面处爱里斑的大小 " 图$ & ’ 是在实验条件下数 值 模拟的一幅短曝光图像 " 图 $& ’ 是 实 验 观 测 结 果$可 以 / 0 直观地看到 " 在强湍流效应 & 大 气 相 干 长 度! 下" 聚焦光束焦平面处的短曝光光斑破碎成一 系 列 小 20 )’ & 1!’ 光斑 " 使得靶面上的光强分布极不均匀 $