大气湍流光强闪烁效应的抑制技术研究
浅议大气湍流对无线光通信系统的影响
浅议大气湍流对无线光通信系统的影响摘要：当激光波束通过大气湍流时，大气湍流效应造成了光束漂移、强度起伏，光束扩展和像点抖动等现象，导致相干性退化削弱激光通信的质量，从而破坏了激光的相干性。
文章介绍了大气湍流的形成及基本特性，对强度起伏、光束漂移及扩展与到达角起伏进行了分析，并通过研究分析穿过大气湍流后激光波束的变化特征，将会对无线光通信的发展具有十分重要的实际意义。
关键词:大气湍流光束漂移光束扩展强度起伏到达角起伏自激光问世以来，具有保密性好，抗干扰能力强，信息容量大，传输率高，系统尺寸小，重量轻，建造和维护经费低，无需频率许可证等优点。
在通信、雷达、测距、遥感和检测等方面的大量应用有力地促进了无线光通信等方面的研究。
同时，激光特有的高强度、高单色性、高相干性和高方向性诸多特性，使它成为空间通信最理想的载体，因为它增益更高、速度更快、抗干扰性更强和保密性更好，同时容量更大、波束更窄。
然而，在许多使用激光工作的系统，其性能会受到大气的影响，激光的传输介质包含了长距离的大气，如自由空间光通信、激光雷达、激光测距等，其中湍流效应是对激光大气传输影响最大的因素之一。
由于大气湍流引入的相位扰动，光束会产生展宽和漂移，光场的时－空相干性受到干扰甚至破坏；由于大气湍流的存在，当激光穿过其中时，会产生闪烁现象，光场强度分布也会发生起伏，大气折射率会发生微小的起伏。
这些效应会削弱光束质量，本文具体分析了随机大气信道湍流效应的各种影响因素，为避免影响自由空间光通信系统、激光雷达系统、激光测距系统的性能，提出了一些具有实用价值的建议，将会对提高大气光学系统的性能有实际的意义。
1 大气湍流效应大气温度的随机变化引起大气密度的随机变化，人类活动和太阳辐照等因素将引起大气微小温度的随机变化，从而形成大气的湍流，它是大气折射率导致的随机变化。
这些变化使湍流大气中传输光束的波前也将作随机起伏，它们的变化的累积效应导致折射率轮廓的明显不均匀性，由此引起光束漂移和扩展，强度起伏和像点抖动等一系列光传输的大气湍流效应。
《影响地基望远镜成像大气湍流随机干扰》
《影响地基望远镜成像大气湍流随机干扰》篇一一、引言地基望远镜是现代天文学研究的重要工具，其成像质量直接关系到科研的准确性和有效性。
然而，在实际观测中，大气湍流随机干扰成为了影响地基望远镜成像质量的主要因素之一。
本文旨在探讨大气湍流对地基望远镜成像的随机干扰，并分析其影响机理，为提高地基望远镜的成像质量提供理论依据。
二、大气湍流对地基望远镜成像的影响大气湍流是指大气中温度、湿度、压力等物理参数的随机波动，这些波动会使得光束在传播过程中发生随机变化，从而导致地基望远镜成像质量的下降。
具体影响如下：1. 图像模糊：大气湍流会导致光束的波前发生畸变，使得成像变得模糊。
2. 星光闪烁：大气密度的随机变化会引起光强的随机波动，导致星光闪烁。
3. 像场畸变：大气湍流还会引起像场的畸变，使得图像的形状和大小发生变化。
三、大气湍流随机干扰的机理分析大气湍流随机干扰的机理主要涉及大气密度的随机变化和光束的传播特性。
具体分析如下：1. 大气密度的随机变化：大气中的温度、湿度、压力等物理参数的随机波动会导致大气密度的变化，进而影响光束的传播。
2. 光束的传播特性：光束在传播过程中会受到大气密度的随机影响，发生波前畸变、像场畸变等现象，从而导致成像质量的下降。
四、提高地基望远镜成像质量的措施为了减小大气湍流对地基望远镜成像的随机干扰，可以采取以下措施：1. 优化望远镜设计：通过优化望远镜的光学系统设计，减小波前畸变和像场畸变的影响。
2. 采用自适应光学技术：自适应光学技术可以通过实时测量和校正大气湍流引起的波前畸变，提高成像质量。
3. 选择合适的观测条件：在观测时选择较为稳定的大气条件，如较低的湍流强度和较小的风速，以减小大气湍流的干扰。
4. 数据处理与校准：通过图像处理技术对观测数据进行处理和校准，如去噪、增强对比度等，以提高成像质量。
五、结论本文通过对大气湍流对地基望远镜成像的随机干扰进行探讨和分析，发现大气湍流会导致图像模糊、星光闪烁和像场畸变等问题。
光在湍流大气中的传播.
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置的时间 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 .
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.
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.
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
(信号与信息处理专业论文)大气湍流信道中副载波光通信系统误码率分析
1.2 大气湍流信道无线光通信研究现状
对于开始和最后一公里的高容量通信网络，无线激光通信技术是一种好的无线 连接技术。无线光通信面临的一个巨大的挑战是如何减少大气湍流信道引起的信号 闪烁。由于大气湍流具有的随机性和不稳定性，使得无线光通信产品的应用受到限 制。在实际大气光通信产品中，为了降低大气湍流的影响，研究人员和生产厂家采 取了一系列措施。
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华中科技大学硕士学位论文
1. 大气湍流对光波的影响在 20 世纪 60 年代已经进行了广泛的研究[2]，通过实 验对湍流引起的闪烁进行了研究。实验表明可以通过增大接收平均孔径来减少光信 号闪烁。但是实验表明当探测器的接收孔径达到某一特定值，增加它并不能进一步 减小闪烁水平[3, Fig.4]。在接收光圈直径从 1mm 到 1m 进行测量发现[4]：当直径从 1mm 到 10cm 对数正态变量平滑减小，当接收光圈直径从 10cm 到 1m 时没有减小。关于 光圈平均孔径理论和实验结果在[5]中有讨论。
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华中科技大学硕士学位论文
1 绪论
1.1 引言
近年来，随着信息化发展，通信也日益向高速率，大容量，长距离方向发展。 光通信技术由于其独有的优点受到了格外青睐。在光通信领域，无线激光通信由于 既具有微波通信灵活机动的特点，又具有光纤通信码率高的优点，误码率也较低， 在空间通信、水下通信、地面通信中都得到了广泛的应用[1]。无线光通信是指利用激 光束作为载波在空间中(陆地附近或外太空)直接进行语音、数据或图像信息传送的 一种技术，又称为“自由空间光通信” (Free Space Optical Communication) [1]。
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。
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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。
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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
大气湍流效应对激光传输影响的仿真研究
大气湍流效应对激光传输影响的仿真研究郭惠超;孙华燕;吴健华【摘要】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M atlab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。
%This paper mainly simulates the irradiance distribution changes of laser beam through the atmosphere .First ,it uses Zernike polynomial to produce a random phase screen and analyzes the spot changes through atmospheric transmission ,then uses Matlab software to simulate the random phase screen and the spot changes through the atmosphere transmission ,and analyzes the spot by uni-formity ,finally gets the conclusion that the multi beam combining is a useful method to improve the effectiveness of laser atmosphere transmission ,and it is significant to construct the laser light image system .【期刊名称】《装备学院学报》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】4页(P116-119)【关键词】激光传输;大气湍流;泽尼克多项式;相位屏【作者】郭惠超;孙华燕;吴健华【作者单位】装备学院光电装备系，北京 101416;装备学院光电装备系，北京101416;92853部队【正文语种】中文【中图分类】TN241大气湍流是大气的一种重要运动形式,它的存在使大气中的动量、热量、水气和污染物的垂直和水平交换作用明显增强,远大于分子运动的交换强度。
激光大气闪烁饱和的孔径平均效应
激光大气闪烁饱和的孔径平均效应概述激光通信是一种高速、高带宽的通信方式，但是大气闪烁现象会对激光信号的传输造成影响。
孔径平均效应是一种减小大气闪烁影响的技术，本文将介绍激光大气闪烁饱和的孔径平均效应。
大气闪烁大气闪烁是指大气中的温度、湿度、气压等因素引起的光线折射、散射和吸收现象。
这种现象会使光线在传输过程中发生弯曲、扩散和强度变化，从而影响激光通信的传输质量和距离。
孔径平均效应孔径平均效应是一种减小大气闪烁影响的技术。
该技术利用大气中的随机波前畸变，通过使用大孔径光学系统来捕捉光线，从而减小光线的强度变化。
孔径平均效应可以使光线的传输距离增加，同时减小传输质量的波动。
孔径平均效应的实验在实验中，研究人员使用了一种名为“弯曲镜”的光学设备，该设备可以捕捉到大气中的随机波前畸变。
研究人员将激光光束通过弯曲镜，然后将其传输到接收器。
实验结果表明，孔径平均效应可以显著减小大气闪烁的影响，从而提高激光通信的传输质量和距离。
结论激光大气闪烁饱和的孔径平均效应是一种有效的技术，可以减小大气闪烁对激光通信的影响。
该技术可以提高激光通信的传输质量和距离，有望在未来的激光通信中得到广泛应用。
参考文献[1] 李晓明, 赵俊, 陈国光. 激光大气闪烁饱和的孔径平均效应研究[J]. 光学技术, 2019, 45(1): 11-16.[2] Fante R L. Aperture averaging of scintillations[J]. Journal of the OpticalSociety of America, 1971, 61(6): 750-752.[3] Andrews L C, Phillips R L. Laser beam propagation through random media[M]. SPIE Press, 2005.[4] Li X M, Zhao J, Chen G G. Investigation of aperture averaging effect for laser atmospheric scintillation saturation[J]. Optik, 2018, 170: 61-67.。
大气湍流论文：光束在湍流大气中的传输
大气湍流论文：光束在湍流大气中的传输【中文摘要】激光在光通信、遥感、监测等方面具有越来越广泛的应用,因而关于激光光束在大气湍流中传输特性的研究具有非常重要的意义。
由于湍流扰动的影响,光束在大气中传输会发生光强起伏变化、像点抖动、光束扩散等大气湍流效应。
正是这些湍流效应的影响,在大气中传输的光束质量会大大降低。
如何减少湍流大气对光束的影响已成为一个重要的研究课题。
寻求一种特殊的光束以减少湍流效应一直是广大学者的研究方向,许多不同激光束在湍流中传输特性的研究已见诸报端。
本文对大气湍流的基本理论进行了简要的叙述,介绍了湍流大气的相关参数及几种主要的大气折射率功率谱模型,对湍流效应中的光强起伏即闪烁指数的计算进行了介绍,为研究光束在湍流大气中的传输做了理论准备。
结合鬼成像的实际应用中的大气环境,对湍流大气中部分相干光的鬼成像进行了理论研究,根据经典光相干理论和广义惠更斯-菲涅尔积分,得到了在大气湍流环境中部分相干光的鬼成像解析公式,分析了光源相干长度、传输距离、湍流强度对鬼成像质量的影响。
研究表明:光源光斑越大,鬼成像质量越好;而湍流强度、光源相干长度及光源与待成像物体间距离的增加,均会降低鬼成像质量。
具有螺旋相位因子的光束被称为涡旋光束,涡旋光束中的光子携带有轨道角动量,可以利用光子的轨道角动量进行信息编码,并应用于自由空间光通讯,因而研究涡旋光束在大气湍流中的传输特性具有重要的意义。
本文利用闪烁指数测量仪测量了涡旋光束闪烁指数,并比较了高斯光束和不同拓扑荷数涡旋光束的闪烁指数变化,分析了拓扑荷数对闪烁指数的影响。
实验表明:在相同湍流环境下,涡旋光束闪烁指数比高斯光束闪烁指数小,且拓扑荷数越大,光束的闪烁指数越小。
高阶高斯贝塞尔光束同时具有无衍射特性和携带轨道角动量,其产生和传输也引起了学者的极大兴趣,利用空间光调制器和轴棱锥产生的高阶高斯贝塞尔光束,论文分析了高阶高斯贝塞尔光束在模拟大气湍流中的传输。