大气湍流中的激光传输课件
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
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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
2.1 光波在大气中的传播
2.1 光波在大气中的传播
大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。 大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。 等技术应用通常以大气为信道 光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的 光波在大气中传播时， 吸收和散射会引起的光束能量衰减 空气折射率不均 会引起的光束能量衰减， 吸收和散射会引起的光束能量衰减，空气折射率不均 振幅和相位起伏 匀会引起的光波振幅和相位起伏；当光波功率足够大、 匀会引起的光波振幅和相位起伏；当光波功率足够大、 也会影响光束的特性。 持续时间极短时，非线性效应也会影响光束的特性 持续时间极短时，非线性效应也会影响光束的特性。
从表1不难看出，对某些特定的波长， 从表 不难看出，对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈 不难看出 的吸收，光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性， 的吸收，光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性， 一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为“ 一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为“大 气窗口” 在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。 气窗口”。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。目前常用 的激光波长都处于这些窗口之内。 的激光波长都处于这些窗口之内。
UP
DOWN
BACK
1. 大气衰减
激光辐射在大气中传播时， 激光辐射在大气中传播时， 部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量 （如热能等） 热能等 部分能量被散射而偏离原来的传播方向 辐射能量空间重新分配）。 （即辐射能量空间重新分配）。 吸收和散射的总效果使传输光辐射强度的衰减 的总效果使传输光辐射强度的衰减。 吸收和散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。
2.5 光波在光纤波导中的传播 Optical Fiber waveguide 2.6 光波在非线性介质中的传播 Non-linear Media 2.7 光波在水中的传播 Water
第七章大气激光通信系统案例
大气湍流对光束特性的影响程度与形式同 光束直径d与湍流尺度l有很大关系，大致 可分为三种情况： （1）d<<l，湍流主要使光束随机产生随机 偏折，接收机端光束漂移
（2） d≈l。湍流主要使光束截面发生随机偏转，从 而形成到达角起伏，使接收端的焦平面上出现像 点抖动。 （3） d>>l，这是一种更常见的情况，此时光束截 面内含有许多小湍流漩涡，各自对照射的那一小 部分光束起衍射作用，是光束的强度和相位在空 间和时间上出现随机分布，相干性退化，光束面 积也会扩大，从而引起接收端的光强起伏，同时 衰减总体接收光强
7.3用于大气激光通信的关键器件和要求
半导体光源 窄带光学滤波器 光学天线
7.3.1 半导体光源
1、工作波长的选择 大气的“通信窗口”是工作波长选择的重要依据。同时 还要注意避开背景光的高辐射谱段。 大气和地面对太阳光的散射形成的背景辐射，对激光大 气通信的接收机来说是一个强的噪声源。 由图知，为减小背景辐射的影响，不宜采用可见波段的 激光，紫外和红外是可选择对象
2、大气散射 大气散射是由大气中不同大小的颗粒的反射或折射造 成的，这些颗粒包括组成大气的气体分子、灰尘和大的水 滴。纯散射虽然没有造成光波能量的损失，但是改变了光 波能量的传播方向，使部分能量偏离接收方向，从而造成 接收光功率的下降 大气对光的散射主要有瑞利散射、米式散射和非选择 散射（又称几何散射） 在近地面大气层中，分子散射的影响是很小的，造成 光能量衰减的主要原因是悬浮粒子的散射
光通信原理与技术
大气激光通信
7.1.2 大气激光通信的应用优势
无线优势：安装便捷、使用方便，很适合于在特殊地形地貌及 有限通信难以实现和机动性要求较高的场所工作；开通周期短， 成本低 2. 容量优势：光波频率高，信息承载能力强 3. 电磁兼容优势：不占用无线电频率资源、抗电磁干扰能力强， 具有很强的军事应用价值 4. 保密优势：激光良好的方向性使其传输的数据具有高度保密性； 激光光束的发散角小，信息截获难 5. 尺寸优势：光波波长短，在提供同样增益的情况下，其天线尺 寸要比微波、毫米波通信天线尺寸小得多；通信终端体积越来 越小 6. 价格优势：半导体激光通信系统的容量/价格比极具竞争优势 7. 功耗优势：由于激光方向性极强，因此光源只需较小的功率即 可实现通信，通信终端功耗很低，易于远程馈电 上述优势中，无线优势和容量优势二者的结合一方面克服了光 纤通信在灵活性方面的缺点，另一方面又解决了无线/微波通信在容 量方面的缺点，因而最为人们所看重。
第二章 大气光传输
⏹WhyOutdoorAdverse atmospheric conditions, as phenomena such as fog, rain, and snow affect the performance of wireless optical links to different degrees.⏹weather parameters such as humidity, visibility, and temperature⏹atmosphere, aerosol, absorption, scattering,Atmosphere⏹构成nitrogen (N2, 78 percent)oxygen (O2, 21 percent)argon (Ar, 1 percent),water (H2O, 0 to 7 percent)carbon dioxide (CO2, 0.01 to 0.1 percent)small particles: generated by combustion (燃烧), dust, debris(碎片), and soil⏹H2O, CO2 : geographic location, altitude, and season大气分层⏹热状态Exosphere: >700 km 外大气层Thermosphere: 80 to 700 km 热层Mesosphere: 50 to 80 km 中间层Stratosphere: 12 to 50 km 平流层Troposphere: 0 to 12 km 对流层⏹臭氧层：20~50km⏹电离层：>50kmAerosol悬浮颗粒⏹Suspension (悬浮) of solid or liquid particles in a gaseous medium⏹0.01 and 10 mmAttenuation⏹absorbed and/or scattered⏹For the typical wavelengths employed by wireless IR links (850 nm, 1550 nm), theattenuation contribution from the atmosphere is relatively low compared to the attenuation contribution from weather conditions.clear atmospheric conditions: 0.2 dB/kmurban regions (due to dust) : 10 dB/kmheavy fog: >300 dB/kmAbsorption⏹conversion of the energy of a photon to internal energy⏹Absorption peak⏹The atmospheric absorption is wavelength dependent 吸收和波长有关⏹Neither nitrogen nor oxygen, which are two of the most abundant, contribute toabsorption in the infrared part of the spectrum.Scattering⏹Dispersal into a range of directions⏹physical interactions（物理作用）⏹The scattered light is polarized, and of the same wavelength as the incidentwavelength, which means that there is no loss of energy to the particle.偏振/波长一致⏹The behavior of the re-radiation (scattering) depends on the characteristics of theparticle: its size in relation to the wavelength of the intercepted energy, its index of refraction, and its isotropy（各向同性）types of scattering⏹Rayleigh, Mie, and nonselectiveRayleigh: particles size ~ wavelength of the light gases (mainly), also occur in transparent solids and liquids.Mie: particles with diameters larger than one tenth of the incident light wavelength up to a diameter equal to the wavelength of the incident lightnon-selective: particles size is larger than the incident wavelength.粒子大小影响到散射能量分布⏹The size of the particle, defines the type of symmetry of the scattered energy withregard to the direction of propagation of the incident energy.⏹If the size of the particle is equal to the wavelength of the incident light, thescattering by the particle presents a large forward lobe and small side lobes that start to appear.⏹As the size of the particle becomes smaller, the backward lobe becomes larger and theside lobes disappear.⏹When the size of the particle is 10 percent the size of the wavelength of the incidentbeam, the backward lobe is symmetrical with the forward lobe.⏹In the context of wireless IR communications, Rayleigh and Mie are probably the mostrelevant types of scattering, as they refer to the scattering of light from molecules of air, and to the scattering of light from other atmospheric particles such as fog, mist, and haze⏹Oxygen and nitrogen contribute to Rayleigh scattering.Mie scattering⏹The attenuation due to Mie scattering can reach values of hundreds of dB/km⏹highest contribution arising from fog 300 dB/km⏹disrupt a communication link even for distances of less than 100 meters⏹wavelength dependenttotal extinction coefficient⏹Total extinction coefficient βT⏹βS~ scattering⏹βm ~ scattering due to molecules⏹βp ~ scattering due to particles⏹βa ~ absorptionEmergent Power⏹Emergent power Ep per unit area at a distance d along the radiation path⏹I0is the intensity of the incident radiation⏹derived from Bouguer’s exponential law of attenuation利用能见度计算散射衰减⏹Based on visibility (能见度)⏹Visibility: the range over which an attenuation of 17dB occur for 555 nm⏹the attenuation a scatt in decibel per kilometer can be calculated as follows:⏹S:visibility of the human eye in km⏹l: wavelength of the transmitted light in nm⏹sea level⏹calculations took into account parameters such as:geometrical latitudetime of the yearattenuation due to cirrus, haze, foggeometrical angle and altitude意义：⏹evaluate the amount of sunlight that reaches the surface of the Earth at differentwavelengths (relevant of the evaluation solar illumination noise at the receiver)太阳光到达地面的情况——噪声⏹an indicator or the atmospheric attenuation or absorption windows that must beavoided when selecting the operation wavelength of a wireless optical link窗口——选择载波⏹The four absorption bands:900 to 980 nm1.1 to 1.16 mm1.3 to 1.5 mm1.8 to 2 mmThis is one of the reasons why the operation wavelengths of outdoor optical wireless systems are generally between 780 and 900 nm, between 1.2 and 1.3 mm, and between 1.5 and 1.7 mmTransmission characteristics⏹Depending on geographical location.Tropics ~ warm air 热带Urban areas present a more reduced visibility than maritime and rural areas ~ existence of different types of aerosols 城市⏹The near-IR region is the least affected by geographical variations.Effect of Rain, Fog, and Mist⏹waterin the form of clouds or fog.in the form of raindrops and snow.⏹两种方式：collection of small dropletsheterogeneous nucleation of aerosol particles that attracts water vapor molecules⏹The three main parameters used to calculate attenuation due to fog and haze are(1) visibility(2) relative humidity(3) temperature.Among them, the most important is visibility, which is defined as the range at which an object can be distinguished from its background (using the lowest level of 2 percent contrast that the eye can detect) at 550 nm (this is the wavelength at which the human eye is more sensitive).Scintillation闪烁⏹arandom fluctuation on the received field strength caused by irregular changes in thetransmission path over time.⏹optical turbulence 湍流⏹solar energy→wind energy →reconverted into heat→different temperatures→variations in the index of refraction/geometrical distance→ turbulence⏹0.01 and 200 Hz⏹temperature, pressure, and humidity⏹Optical wireless communication systems are affected by a variety of atmosphericphenomena that limit their data transmission rate, range, and reliability.⏹In the case of outdoor systems, atmospheric phenomena such as haze, fog, rain, andscintillation have a detrimental effect on their performance.⏹Fog and haze constitute the most important atmospheric scatterers.over 300 dB/km (corresponding to very thick fog), IR link for distances as small as 100 m⏹Rain and snow do not introduce a significant attenuation in wireless IR links.⏹This is due to the fact that scattering is wavelength dependent, and raindrops affectmainly radio and microwave systems that transmit energy at longer wavelengths.⏹ A heavy rain of 10 mm/hr ~ 6 dB/kmsnow and dust ~ 60 dB/km⏹The atmosphere originates losses even when atmospheric scatterers are not present(that is, under clear air conditions). This phenomenon is denominated by clear air absorption, and it is equivalent to the absorption that happens in optical fibers.Air turbulence does not produce significant variations in the received optical power ofa system when it operates over a short distance. For longer distances, however, it maybecome a problem.⏹The use of adaptive optics that vary the optical power reaching the detector andtherefore compensate for the power fluctuations due to turbulence 自适应光学⏹The use of coding technologies to overcome fadeEqualization through different emitters that transmit the same information over different paths⏹three major factors●ambient light:reduces the SNR and the range of the systemlimits its data ratefluorescent and incandescent lamps, solar illumination●multipath distortion (in the case of non-LOS links),the response time of the opto-electronic components used for the transmitter and the receiver.Ambient Illumination Noise⏹Sources: lamps and from the sun⏹reducing the SNR of the systemn 转换效率A/W Ps信号功率(W)B 噪声带宽(Hz)Pb背景噪声功率(W)Po 暗电流等效功率(W)R 负载电阻.对灵敏度的影响⏹sensitivity of a wireless IR system is determined by the amount of unwantedbackground illumination灵敏度由背景决定⏹fluorescent lamps⏹incandescent lamps⏹sunlight.⏹Moonlight (negligible)⏹stellar illumination (negligible)各种光通量比较⏹Earth’s surface⏹from the sun: at is 1.36 kW/m2⏹fullmoon: only 6.9 × 10−6 kW/m2，is about 197,000 times smaller than the solarflux⏹the overall radiation flux of the stars is even smaller than that produced by a fullmoon. ~only 40%光谱比较：⏹Moonlight 与sun类似，但某些波长会小⏹stellar illumination : be higher in the near-IR part of the spectrumindoor environments：fluorescent lamps introduce less noise；rapid fluctuations: ~ megahertz 改善办法1：restricting the field of view of the receiver.改善办法2：⏹optical filtersLongpassfileter (made of colored plastic or glass)Thin-film optical bandpass filters⏹区别：与入射角度的关系阳光的影响Sunlight⏹creating white Gaussian noise (WGN) reduces the SNR of the system⏹limiting transmission distance and speed⏹detector impedance reduction and flicker noisesaturate the photodetector, interrupting the communication completely (despite the use of optical filters).Direct and Reflected Sunlight难点：the sun is positioned behind the transmitter and within the FOV of the receiverMultipath Dispersion⏹diffuse configuration⏹wide FOV of the receiver and the wide beam of the transmitter⏹result in a broadening of the signal⏹leads to intersymbol interference (ISI).。
大气激光通信原理
大气激光通信原理
大气激光通信（Free Space Optical Communication，FSO）是一种利用激光光束在大气中传输信息的通信技术。
其原理如下：
1.激光发射器：通信系统中的发射端使用激光发射器产生一束高
功率、窄束宽的激光光束。
常用的激光器包括半导体激光器和
固体激光器。
2.光束传输：激光光束通过大气传输。
由于大气中存在各种大气
湍流和光散射现象，会对激光光束造成衰减和扩散，从而影响
传输质量。
3.接收器接收：接收端使用光学接收器接收传输过来的激光光束。
接收器通常包括一个光学透镜和光电探测器。
4.探测和解调：光电探测器将接收到的光信号转换成电信号。
随
后，对电信号进行探测和解调，以恢复出原始的信息。
需要注意的是，大气激光通信受到大气湍流、大气吸收和大气散射等因素的影响，可能会导致传输质量的下降。
因此，为了提高大气激光通信的可靠性和性能，通常会采取以下措施：
•自适应光学系统：利用自适应光学技术对激光光束进行实时调整，以适应大气湍流和传输条件的变化。
•前向纠错编码：采用前向纠错编码技术，使数据能够在传输过程中进行纠错，以增强传输的可靠性。
•光束整形：通过光学系统对激光光束进行整形，使其更加集中和稳定，减少大气散射的影响。
大气激光通信具有高带宽、免许可、抗干扰等优点，适用于需要高速、远距离、抗干扰的通信场景，例如军事通信、卫星通信、无线回传等领域。
然而，由于大气的不稳定性，大气激光通信在实际应用中仍面临一些挑战，需要通过技术手段进行优化和改进。
激光光束在大气中的传输机理研究
激光光束在大气中的传输机理研究作为一种重要的光学工具，激光在现代科技和工业中发挥着重要作用。
而激光光束在大气中的传输机理的研究，则是涉及到激光技术应用的一个关键领域。
在大气传输中，激光光束受到许多因素的影响，如大气湍流、散射和吸收等。
本文将深入探讨这些因素对激光光束传输的影响与机理。
首先，大气湍流是激光光束传输中的主要难题之一。
湍流会导致光束的强度分布发生扭曲和衰减，从而降低激光传输的效率和质量。
目前，有许多研究方法用于模拟和理解湍流对光束的影响。
其中，数值模拟是一种常用的方法，通过数学模型对湍流流场进行计算和模拟，进而预测光束传输的效果。
此外，实验方法也被广泛应用于湍流研究中，例如通过气球和飞机等载体，在大气中进行光束传输实验，并测量湍流对光束的影响。
其次，散射是激光光束在大气中传输的另一个重要影响因素。
大气中的微尺度粒子（如烟尘、白细胞和水滴）会使光束在传输过程中发生散射，从而导致光束的发散和强度的削弱。
为了更好地理解和预测散射对光束传输的影响，研究者们提出了各种散射模型和算法。
利用这些模型和算法，研究者可以预测光束在不同大气条件下的传输距离和强度衰减，并为激光应用提供相关参数和指导。
另外，大气在不同波长的激光光束中的吸收特性也会对光束传输产生影响。
大气中的气体分子和颗粒物质会对激光光束中的能量进行吸收，从而导致光束的衰减和传输距离的限制。
为了充分利用激光技术，科研人员研究了不同波长激光在大气中的传输特性，并通过选择适合的激光波长，有效地减小了光束传输的衰减和损失。
总结而言，激光光束在大气中的传输机理研究是一个复杂而又关键的领域。
湍流、散射和吸收等因素的影响，使得激光在大气中传输的过程十分复杂且不可忽视。
因此，对这些因素的深入研究和理解，对于激光技术的发展和应用具有重要意义。
未来，我们可以继续探索新的理论和实验方法，以更好地解决激光光束在大气中的传输难题，并推动激光技术在各个领域的进一步应用与发展。
大气光学介质对激光传输的影响研究
大气光学介质对激光传输的影响研究激光技术作为一种高度聚焦的光束传输技术，在军事、通信、医疗等领域有着广泛的应用。
然而，在大气传输过程中，激光束会受到大气光学介质的影响，从而降低传输效率和质量。
因此，深入研究大气光学介质对激光传输的影响，对于提高激光传输技术的稳定性和可靠性具有重要意义。
大气光学介质主要包括大气湍流、大气吸收和大气散射。
其中，大气湍流是激光传输中最主要的影响因素之一。
湍流的存在会引起光束的弯曲、扩散和弥散，从而导致光束的能量损失和衍射效应的发生。
为了减少湍流对激光传输的影响，研究人员通常采用自适应光学技术，即通过实时监测并校正大气湍流引起的相位畸变，使激光束能够更准确地传输到目标区域。
除了大气湍流外，大气吸收也会对激光传输产生重要影响。
大气中水蒸气、雾霾等成分会吸收激光束的能量，从而导致光束的衰减和能量损失。
针对这一问题，研究人员通常采用频率调制和波长调制等技术来减少大气吸收对激光传输的影响。
此外，多光束合成技术也被广泛应用于激光通信中，通过将激光能量分成多个小光束进行传输，可以降低相邻光束间的干扰和衰减。
大气散射是另一个重要的光学现象，会对激光传输造成干扰和衰减。
大气散射可以分为弹性散射和非弹性散射两种形式。
弹性散射是指光束与大气中分子和粒子相互作用后，沿原来方向散射出去，不引起光束能量的损失。
而非弹性散射则会导致光束吸收和能量损失。
因此，精确研究大气散射的性质和机制，对于减少散射对激光传输的干扰具有重要意义。
同时，开发新型的散射补偿技术也是提高激光传输效率的关键。
除了以上介绍的大气光学介质对激光传输的影响外，大气温度、湿度、气压等气象因素也会对激光传输造成一定的影响。
高温和高湿度会导致大气中水蒸气含量增加，进而增加大气吸收和衰减；气压变化会影响大气湍流的强度和分布。
因此，准确地感知和监测大气的气象因素，对于预测和优化激光传输效果至关重要。
综上所述，大气光学介质对激光传输的影响并不容忽视。
大气激光通信123
m
a
大气湍流信道
湍流结构常数C n
2
描述大气光学湍流强度
白天,太阳辐射增温,地温高于气温,大气处于不稳定
层结,热量向上传递,动力湍流能量加强,C 2 较强 n
夜间,地面冷却,气温高于地温,大气处于稳定层结状
态,湍流能量较弱,C 2 也较小 n
转换时刻(日出后1小时和日落前1小时)地面温度
和大气温度大约相等,此时湍流最弱
总结
大气激光通信系统使用大气作为传输信道，其性 能和大气的传输性能密切相关，因此我们着重分析 了大气通道对激光束的衰减作用以及大气湍流对激 光束传播的影响，并简要介绍了大气通信的关键器 件，大气激光通信的调制技术，以及大气激光通信 系统的构成与应用。 本课题重点 大气对激光束传播的影响 大气信道的特点 本课题难点 大气衰减，激光束传输损耗，激光束的 准直与扩束原理
红宝石激光器,氦~氖激光器, CO2激光器(10.6um,大气信道传输的低损耗窗口) 和Nd :YAG激光器
低谷:(20世纪70~80年代)
①
② ③
受气候条件影响大 大气湍流 光纤通信的发展(但在军事反面存在巨大潜在应用)
复苏:(20世纪90年代~至今)
1988年,巴西,便携式半导体激光大气通信系统.(双筒望远镜)。（1km） 1989年,美国,短距离、隐藏式大气激光通信系统。 1990年，美国，紫外光波通信系统。(2~5km)
快速业务开通
其他特殊场合 军事应用
八、大气激光通信面临的问题
(大气信道本身的特点）
对大气信道衰减大以及衰减随机变化量大的
补偿技术问题
大气湍流的影响，使信道折射率发生不均匀
的随机变化，使接收斑产生所谓的闪烁现象 和飘移现象
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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。
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。
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。
.
谢谢大家！
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1?
n
2 I
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伏和光 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：
? xcn
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1 n
n
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i?1
若各束光的漂移互不相关，并且之后的光束漂移方差：
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1 2 ? n?
n i?1
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σρ2，则n束
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。
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多光束传输的数值模拟
发射处的光强分布 经过Cn2=2x10-17m-2/3真空传输2km后的光强分布 .
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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。
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? 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
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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。
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大气湍流对激光传输的 影响
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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。
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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。
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。
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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。
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大气湍流对激光传输的 影响
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。
描述：
? ? n( p,T, ) ? 1 ? 77.6(1 ? 7.52 ? 10?3 ?2 )( p /T ) ? 10?6
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
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多光束传输装置
美国AstroTerra 公司的发射装置
.
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：
n
? I ? 1
cn
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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：
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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
大气湍流中的激光传输
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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。