星光成像的大气影响研究(Ⅱ):大气湍流

工作于近地空间的星敏感器,其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之二,建立了湍流大气星光传输模型,研究了恒星成像的大气湍流影响。基于ERA5数据和光学湍流预报方法得到大气湍流参数廓线,计算了典型地区不同时刻及观测条件下星光的闪烁指数,对比星光闪烁的理论值,验证了数值计算的可靠性。研究了湍流大气中星光传输的闪烁效应及星像质心的抖动特性,得到了典型观测高度及观测天顶角情况下的恒星抖动量。研究表明:恒星抖动的到达角和到达角起伏与星光的闪烁指数呈正相关关系,提升星敏感器的观测高度、减小星敏感器的观测天顶角,能一定程度上减轻星光成像的大气湍流影响。

径向阵列涡旋光束在大气中的传输与扩展

在高能激光合成、空间光通信及其他激光工程中的潜在应用方面,阵列涡旋光束逐渐受到人们的关注。基于多重相位屏的数值方法,研究阵列涡旋光束在von Karman湍流中的传输特性,分析了光场的演化情况。结果表明:光束传输一段距离后发生融合,融合后的光束拓扑荷与初始光场中子光束的拓扑荷相同。考虑到光斑扩展会导致拓扑荷的损失进而使得通信效率下降,分析了不同湍流和光束参量对光束相对束宽的影响。湍流强度对相对束宽影响较大,拓扑荷等其他参量均对其有不同程度的影响,相对于单束涡旋光,阵列光束具有更小的相对束宽。

非Kolmogorov湍流下拉盖尔-高斯光束传输性能数值研究

涡旋光束可以有效提高通信系统的信道容量,但大气环境下光通信信道受大气湍流的影响,因此研究涡旋光束大气湍流传输特性具有重要意义。大气湍流广泛采用Kolmogorov谱模型进行描述,但对大气湍流的进一步研究表明,大气湍流还具有非Kolmogorov谱特征。开展了非Kolmogorov谱湍流下涡旋光束传输特性的研究,基于数值方法研究了湍流内外尺度、广义指数因子、折射率结构常数对拉盖尔-高斯光束在不同传输距离下的螺旋谱分布、拓扑荷探测概率等参量的影响,仿真结果表明,拓扑荷探测概率与以上参量密切相关。最后,提出了一种数值计算涡旋光束闪烁指数的方法,并据此计算分析了大气湍流对通信误码率的影响。结果表明,即使在弱湍流中传输至1000m处,误码率也很难达到通信要求,因此有必要采取进一步的相位校正措施。