大气湍流中的激光传输

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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１０２）长吉３０２
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２０ｉｎ的接收孔径，收孔径为５ｎ时统计方差大相０ｎ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４０卷第３期
Ｖｏ．０ＮＯ．１４３Βιβλιοθήκη 红外与激光工程
ＩｆａｅｎｓｒＥｎｉｅｒｎｎｒｒｄａｄＬａｅｇｎｅｉｇ
２１０１年３月
Ｍａ．２ｒ０１１
激光大气湍流传输光强起伏及光斑面积实验分析
ＬｏｎｉｎｇＨｕｌｕＹａ，Ｊａｉｎ，ＣｈｎＣｈｎｉｉｅｕｙ，ＴｏｇＳｏｆｎｎｈｕｅｇ
（ｎｔｕｅｏｐｃ－ｐｉｓａｄＥｅｔｎｃｅｈｏｏｙｈｎｃｕｉｅｓｙｏｃｅｃｎｅｈｏｏｙｈｎｃｕ３０２ＣｉａＩｓｔｔｆＳａｅｏｔｎｌｃｒｉＴｃｎｌｇ，ＣａｇｈｎＵｎｖｒｔｆＳｉｎｅａｄＴｃｎｌｇ，Ｃａｇｈｎ１０２，ｈｎ）ｉｃｏｓｉ

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.

激光大气传输湍流扰动仿真技术

激光大气传输湍流扰动仿真技术李波;王挺峰;王弟男;田玉珍;安雪晶【摘要】为了研究激光大气传输时湍流效应对激光应用技术的影响,对湍流扰动的仿真进行了分析。

介绍了在实验室内进行激光大气传输湍流扰动研究的数值仿真技术和仿真系统。

阐述了快速傅里叶变换（FFT）和Zernike多项式两种湍流扰动数值仿真方法,并且对比了两种方法的优劣。

利用物理相位屏搭建了实物湍流仿真系统,介绍了其理论模型并进行了仿真实验,对激光经湍流系统传输后的光强能量分布进行了研究分析。

结果显示,室内湍流仿真系统能够准确地模拟弱起伏条件下湍流对激光传输的影响。

%To investigate the influence of turbulence on the laser propagation through atmosphere,the simulation technology of the turbulence was analyzed.The numerical simulation technology for the turbulence on laser propagation in laboratory was introduced and turbulence simulation systems were also discussed.A detailed description and the comparison for Fast Fourier Transform（FFT） and Zernike polynomial methods of numerical simulation were offered and a turbulence simulation system was established by a static phase screen.The theoretical model and the simulation experiment were also performed,then energy intensity distribution of laser propagating in the tarbulence simulation system were studied.The results show that the system can simulate the weak fluctuation turbulence accuretely.【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2012(005)003【总页数】7页(P289-295)【关键词】激光传输;湍流扰动;随机相位仿真;随机相位屏【作者】李波;王挺峰;王弟男;田玉珍;安雪晶【作者单位】海军驻长春地区航空军事代表室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,吉林长春130033／中国科学院研究生院,北京100039;辽宁机电职业技术学院信息工程系,辽宁丹东118009【正文语种】中文【中图分类】TN241;TP391.91 引言近十几年来，激光通信技术，激光主动照明成像技术以及自适应光学技术的发展促进了学者对激光大气传输研究的更多关注。

湍流谱中高频泵浦对激光大气传输影响的数值模拟研究

第35卷，增刊红外与激光工程2006年10月V bl ．35Su pp I e m e n tIn 厅are d 柚dLas er E ngi ne er i ngO ct ．2006湍流谱中高频“泵浦"对激光大气传输影响的数值模拟研究钱仙妹，朱丈越，饶瑞中(中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学研究室，安徽合肥230031)摘要：当湍流不稳定时，在折射率谱的高频端会出观特殊的能量注入而形成狭窄的高埂“泵浦(bu 证口)”结构一采用数值模拟的方法研究分析了该高频bum p 结构的性质及其对激光大气传输的影响。

．数值模拟结果表明：高频b 啪p 的存在使得光强起伏功率谱的高频端出现了尖峰结构并伴有次频成分；随着折射率谱中b 啪p强度的增大，光强起伏功率谱的高频端渐渐偏离一8／3幂律而下降速度减慢；高频bum p 还使得光束发生扩展，光束有效半径随bum p 强度的增大而先增大后减小最后趋于一稳定值，光束有效半径随bum p 宽度的增大而增大，最大的光束有效半径可以达到不存在bum p 时光束有效半径的数倍。

关键词：光传播；湍流大气；数值模拟；泵浦；光强起伏功率谱；光束扩展中图分类号：TN 012文献标识码：A文章编号：l 007．2276(2006)增A ．0432．05Si m ul at i on of ef f e ct ofahi gh —f r equency bum p i n t he t ur bul ences pect r um on I as er pr opagat i onQ I A N X i an-m ei ，Z H U 、M en-yu e ，R A OR ui —zhong(Labo 嘣or y of A 臼no 印he —c opncs ，A nhui Ins ti t ule of op 廿cs 锄dFi neM ech 柚i cs ’chi ncs 棼A cadcnI y ofs ci ∞∞，H cf ei23003l ，Cll i 豫)A bst r a ct ：W he nt he t ur bul ence i s i I l st abI e ，a s ou r c ef or 埘ect i l lg energy i mo t he 劬rbul entspe 咖埘w i l lc ause anam w hi gh 一疗e que ncybum p ．111ech 锄ct er i st i cof t hi s bum p and it s e 仃ec t onl 鹤er pr o pagat i onar esi l I l ul at ed ．111es i m ul at i on r e sul t s show t h at m e ef 琵ct ofabum p i Il m e t urbul en ce s pec 觚m i st 0pm duceahi gh —f ．r equ ency spi kea t t e nded by som eh 蚴oni csi n t he pow e r spect r a l dens i t y of i nt ens i 桫f l uct uat i on ，w hi ch does n ’tf ol l ow t he 一8／3pow e r mode l gr adual l y but f al l s of r m or e s l ow l y 觞bum p s 订e n 垂h i Il cr e 弱es ．H i gh-fr equencybum p m ayc a u s ebe 锄s preadi Il g 锄d t he e 丘bc t i V ebe 锄r adi usf i r st l y i nc re as es t l l en com e s t oaSt eady val uea sbum p s 灯e n 垂h i n cr ea ses ．T l l ee 行．ect i V ebe 锄radi usm ay a l so i I l cr e 弱e 勰bum p w i dt h i ncr eas es ．The bi gge S t spr e adi I l g beam r adi us c 雒bec ome s eV er al t i m es of t h at i n t he abs ence ofhi 曲行equencybum p ．K ey wor ds ：L as er propagat i on ；Thrbul ent 咖osphere ；N 啪eri cals i Il l ulat i on ；B um p ；P ow e r spe ct r aldensi 够of i nt ensi 妙f l uc t ua t i on ；B e 锄spr eadi I l gO 引言在研究激光湍流大气传播时，通常假定湍流能量遵循从大尺度(低的波数区)到小尺度(高的波数区)收稿日期：2006．07．27基金项目：国家863计划项目资助课题作者简介：钱仙妹(1982．)，女，安徽安庆人，博士研究生，主要从事激光大气传输的值模拟计算研究．增刊钱仙妹等：湍流谱中高频“泵浦”对激光大气传榆影响的数值模拟研究433的R ichar ds on级串过程I l’2】，最常见的是K olm ogor ov谱，在惯性区内，谱密度按照S(r)～r一(3“2)仃(摊空间)的方式变化。

大气对激光传输的影响

第19 卷第1 期2007 年3 月光散射学报THE JOUR NAL OF L IGHT SCATTERIN GVol119 No11March1 2007文章编号:100425929 (2007) 0120043206大气对激光传输的影响ΞΞΞ刘波涛(海军工程大学兵器工程学院, 湖北武汉430033)摘要: 本文分析了激光传输过程中大气这一传输介质对其的影响,由大气的成分出发,采用辐射传输理论描述了大气介质的吸收和散射特性,着重分析了其中对辐射影响最大的两种因素,即大气消光和大气湍流。

并建立了大气传输系统的传递函数模型。

最后通过LOWTRAN 模拟软件包对本文所得的模型进行评估。

关键词: 大气传输特性; 大气湍流; 大气消光中图法分类号: TN92911 文献标识码: AThe Attenuation of Laser in the AtmosphereL IU Bo2tao( N av a l U niversit y o f E ngineering , Enginee r ing Instit ution of Weapon ,Hubei Prov . , W u han 430033 , China)Abstract : The attenuation of laser through the atmosphere is analyzed. Atmosphere absorption and scattering are described by radiation propagation theory. We analyze air extinction and air on flow on emphasis which are the most important factors to the absorption of radiation propa2 gation. The atmospheric t ransfer function model is constructed. At last , we evaluate this func2 tion model with the help of LOW TRA N software.Key words : Atmospheric propagation characteristic ; A ir on flow ; Air extinction1 大气的结构与对激光的影响随着光电成像技术的发展,远程摄像应用越来越广泛。

第八讲-光在大气和水中的传播、激光损伤

I2 [ln(I / I 0 )]2 4[ln(A / A0 )]2 4 2
(2.1-10)
2 式中， 2 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 12.8Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6 I2 4 2 2 6 / 7 11 / 6 0.496Cn (2 ) L 2 1.28Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6
10.4
9.6
2、大气分子散射， m
(1)散射的基本概念
大气中总存在着密度起伏，破坏了大气的光学均匀性，
造成部分光会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的
散射(实质是反射、折射和衍射的综合反映)。散射主要发生在可见光波段，其性质和强度取决于大气中分子或微粒的半
径ｒ与被散射光的波长λ二者之间的对比关系。
3
4
(2.1-6)
式中
m为瑞利散射系数（cm-l）；
N为单位体积中的分子数（cm-3）；
A为分子的散射截面（cm2）；
为光波长（cm）。
m 0.827 N A /
3
4
波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。因此可见光散射大于红外光散射，而蓝光散射又大于红光散射： • 在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因为蓝光散射最强烈，故明朗的天空呈现蓝色。 • 而黎明和黄昏时，太阳辐射穿过大气的路程长，蓝绿光已被散射殆尽，只剩下黄红光，所以阳光呈黄红色。
(2)散射的类型
瑞利散射（Rayleigh-Scattering），选择性散射
大气分子的半径是10-4 m量级的，在可见光（0.4-

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７１００４８；２．西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安７１００４８）
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（ＳＮＲ）、误码率（ＢＥＲ）的计算公式，探讨闪烁指数、
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｉｃｒｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｏｎｌａｓｅｒｓｉｇｎａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙ
ｉｖｅｒｄｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｌａｓｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎｉｎｄｅｘ，ａｔｍｏｓｐｈｅｉｃｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｎｓｔａｎｔａｎｄｌａｓｅｒｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｏｎｔｈｅＳＮＲａｎｄｔｈｅｂｉｔｅｒｏｒｒａｔｅｉｓｅｘｐｌｏｒｅｄ，ａｎｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｓｔｕｃｒｔｕｒｅｃｏｎｓｔａｎｔａｎｄ

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I cn
1 n
I
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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
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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。
接受平面上则会观察到一个均方直径为ρL2=ρs2+ρc2的大光斑。称ρs为短期平均光斑半径，ρL为长期光斑半径，ρc为平均束漂移量。
大气湍流对激光传输的影响
Cn2随高度的变化实验值
大气湍流对激光传输的影响
1
大气闪烁（光强起伏）
定义为激光传播一定距离后，在探测器平面上光密度在空间和时间上的变化。这种信号的起伏是激光在传播时，沿途温度变化引起大气折射率变化的缘故。大气信道各部分就像棱柱和透镜，如果在湍流大气中与光源相距一定距离处测量光的强度，会出现光强I随时间围绕平均值<I>做随机起伏的现象。因为光强起伏是影响工作于大气环境中系统性能的一个重要参量，所以人们希望预测光强起伏的大小。光强起伏的理论和实验研究一般主要集中在闪烁方差和闪烁概率密度上。
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：
4
光束扩展
所谓光束扩展是指接收到的光斑半径或面积的变化。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
流体的运动主要分为层流和湍流，层流属于规则运动，湍流则属于不规则运动。大气湍流是大气中的一种不规则的随机运动，湍流上的每一点的压强、速度、温度等物理特性都会随机涨落。大气湍流中空气密度的无规则变化导致了折射率的变化，也就使光在大气中的传播不再是线性的。
大气湍流最常发生的三个区域： 1、大气底层的边界层内 2、对流云的云体内部 3、大气对流层上部的西风急流区内
大气湍流对激光传输的影响
2
相位起伏和到达角起伏
激光在均匀介质中传播具有均匀波前：而在湍流大气中传播时则由于光束截面内不同部分的大气折射率的起伏，将导致光束波前的不同部位具有不同的相移，这些相移导致随机起伏形状的等相位面。这种相位形变导致光束波前到达角的起伏，从而也导致像点抖动。
大气湍流对激光传输的影响
对畸变的相位进行重构，来降低接受面上的光强起伏和相位起伏。
▶4 采用多光束发射。使不同光束通过不同的湍流涡旋，使光束之间有相互补偿的可能性，从而降低大气湍流造成的各种影响。
多光束传输装置
美国AstroTerra 公司的发射装臵
多光束传输对光强起伏和光束漂移的改善
考虑n束参数相同但互不相干的光照射到扩展目标上去的情况。n束所形成的光斑光强的平均起伏为：
发射处的光强分布
真空传输2km后的光强分布
◆ 四束原本分开的激光光束经过一段传输后，其光场会叠加在一起，使光束间有相互补偿的可能性，从而降低湍流造成的影响。
经过Cn2=2x10-17m-2/3真空传输2km后的光强分布
多光束传输的数值模拟
▲ 四光束与单光束光强起伏方差的比较
从图中可看出采用四束激光传输后的光强起伏比单束光又明显减小。
湍流大气中的短曝光光斑图像
模拟单高斯光束不同湍流强度下的光强分布
可以看出传输路径上的大气湍流使高斯光束发生畸变，随着湍流强度的加强，湍流湍流造成的相位几畸变会变大，湍流对激光影响也会加强，甚至出现光斑分裂等现象。
针对大气湍流影响的克服方法
▶1 扩大发射光束的发散角来克服光束漂移带来的问题。 ▶2 用高功率发射器来补偿由于激光束发散和激光闪烁所造成的损失。 ▶3 用自适应光学系统补偿波前相位畸变，提高空间光学系统的质量。通过