激光束光斑漂移反演大气湍流各向异性实验研究

设计了两束正交激光束光斑漂移的实时影像记录系统,进行了一系列的激光束大气传输外场实验,对比研究大气湍流环境下两正交方向激光束的光斑漂移,反演研究大气湍流的各向异性。实验结果表明,近地面大气湍流具有各向异性且表现为:一、与风向相关,当激光传输路径与风向夹角很小时,其垂直和水平方向的光斑漂移量会出现较大的差异,当激光传输路径与风向正交时,其垂直和水平方向光斑漂移量基本一致。二、与实时气温相关,表现为两正交激光束的光斑漂移量统计值在垂直和水平方向的四个分量中的不均匀分配,且气温降低会使不均匀分配的强度增加。分析研究成果,本文提出大气湍流各向异性强度指数A的概念,该指数的大小可以综合性的表征大气湍流各向异性特征及其强度。

空心高斯涡旋光束在各向异性non-Kolmogorov大气湍流的光强分布

为了分析大气湍流对空心涡旋光束传输光强的影响,基于广义惠更斯-菲涅尔原理和Rytov相位结构函数近似,利用各向异性大气non-Kolmogorov湍流谱模型,推导出空心高斯涡旋(HGV)光束在各向异性大气湍流中的传输光强解析式,数值模拟分析了传输距离、湍流参数和光束参数对光强分布的影响。研究结果表明:随着传输距离增大,HGV光束的传输光强将由空心分布逐步演化为高斯分布,且拓扑荷数越大、束腰半径越小、波长越长的HGV光束的光强受各向异性大气湍流影响越小;当湍流的各向异性系数、广义指数和内尺度越大,以及外尺度与结构常数越小时,HGV光束的传输光强随传输距离的演化会减慢,表明HGV光束在较弱的各向异性non-Kolmogorov大气湍流中传输时光强分布受到湍流的影响较小。

离轴扭曲各向异性高斯-谢尔模型光束在湍流大气中的传播

该文基于广义惠更斯-菲涅耳原理,利用部分相干光复曲率张量推导出了离轴扭曲各向异性高斯-谢尔模型光束在湍流大气中传播的解析表达式,详细研究了该类光束在湍流大气中的传播特性。研究表明:离轴扭曲各向异性高斯-谢尔模型光束光斑在湍流大气中将退化为非离轴高斯圆形光斑;离轴参数与传播距离之间的关系曲线随着湍流强度的减弱、扭曲参数的增大以及光源相干性减弱变化缓慢。结果还表明,利用部分相干光复曲率张量分析各类高斯-谢尔光束在大气湍流中的传播和变换特性是一种简单有效的方法。

各向异性大气湍流中成像仿真研究

大气湍流降低成像质量,一直以来是制约远距离光电成像探测的瓶颈问题。通过对大气湍流中成像仿真进行研究,一方面可以评估光电成像探测系统性能,同时还可以为图像处理算法验证、目标识别等提供测试数据。本文主要针对各向异性非Kolmogorov大气湍流中成像仿真开展研究,通过利用图像处理和各向异性非Kolmogorov大气湍流理论成像模型相结合的方法,实现了综合考虑各向异性系数、成像波长、接收器孔径、传播路径等物理参量的各向异性湍流中成像快速仿真。通过与随机相位屏仿真方法和图像处理成像仿真方法分别从仿真时间和仿真精度两个方面进行对比分析,结果表明本文方法仿真时间短,同时也能较好地反映大气湍流对光学成像系统的影响。

反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的漂移

为了研究部分相干反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的漂移特性,基于各向异性非Kolmogorov大气湍流谱模型,利用几何光学近似与Rytov近似解得到了部分相干反常涡旋光束(PCAVB)在各向异性湍流中传输的光束漂移解析式,并对该漂移解析式进行数值模拟。研究了拓扑荷、相干长度、各向异性因子、折射率结构常数等光束参量及湍流参量对PCAVB在湍流中的均方根光束漂移与相对光束漂移的影响。结果表明,相干性越好的反常涡旋光束,会使光束在各向异性湍流中的漂移现象变得更严重;随拓扑荷数的增加,可以一定程度降低湍流对光束漂移的影响;湍流随各向异性因子的增大,对部分相干反常涡旋光束的漂移影响明显减弱;广义指数参量在3~3.3范围增长时,对PCAVB均方根漂移与相对漂移影响最大,而在3.3~4之间增长时,对光束均方根漂移与相对漂移影响逐渐减弱。此研究对反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的传输提供了一种理论模型参考。

各向异性大气湍流中涡旋Lommel光束传输特性

为了更有效地减小光波大气传输中湍流的影响,探索减缓湍流效应的措施,基于涡旋光束和大气湍流中光传输的马尔科夫近似理论,应用将涡旋光束分解为柱坐标中螺旋谐波叠加的方法,推导得到无衍射洛默尔涡旋光束在考虑内外尺度的各向异性非科尔莫戈罗夫大气湍流中传输的接收功率和串扰功率模型.分析了洛默尔光束在不同强度和不同程度各向异性湍流中传输时波束参量和湍流参量对不同轨道角动量模光束的接收功率和串扰功率的影响.结果表明,随着湍流各向异性程度的增加,各个轨道角动量模的接收功率增大,串扰功率减小.非科尔莫戈罗夫谱幂指数的变化对接收功率和串扰功率的影响较大,且洛默尔光束形状接近于圆对称模式时能更好地减缓湍流的影响.理论推导表明,在各向异性大气湍流中洛默尔光束的传输性能要优于多汉克-贝塞尔及拉盖尔-高斯涡旋光束.

海面大气边界层中聚焦光束漂移各向异性的实验研究

利用位置敏感型光电倍增管(PSPMT),设计了测量聚焦光束漂移的实验装置。该装置在80mm的有效探测面内实现了2维位置信号的直接探测,空间分辨率可达1 mm,明显优于四象限探测器和阵列探测器,最高采样频率可达80 kHz,且动态范围很大,优于一般的成像器件。在近海岸海面上5 m处的大气边界层中进行了距离为1 000 m的聚焦激光传输实验。测量结果表明:聚焦光斑的质心漂移具有各向异性,水平方向光斑漂移幅度一般介于5.61 mm和14.83 mm之间,垂直方向光斑漂移幅度介于3.54 mm和7.3 mm之间,两者之比的平均值为1.69;水平方向和垂直方向的光斑漂移功率谱密度(PSD)在低频段也存在差异,垂直方向光斑漂移的PSD比水平方向光斑漂移的PSD下降速率更快。

地星大气湍流路径三层传输模型数值模拟

星地激光通信具有高带宽通信的潜力,但大气湍流会显著影响卫星对地和地对卫星这类通信系统的能力。星地通信系统的室外实验费用昂贵且难以重现,现有的数值仿真大都基于水平均匀路径,不适用于星地链路长距离且不均匀的湍流路径,为了评估湍流对通信系统的影响,因此开发适用于星地链路的数值仿真是非常重要的。在数值仿真中,模拟湍流的相位屏数量太多会增加系统的复杂度,通过计算传统的Kolmogorov谱下相位屏为2层、3层、6层、11层以及21层时观测面光场的互相干因子并将其与理论值比较,发现三层模型能够在保证传输准确性的同时降低系统的复杂度。在此基础上,提出了地星大气激光传输三层模型,分析了不同湍流谱模型下(Kolmogorov谱与Non-Kolmogorov谱)的高斯光束辐度轮廓变化以及接收光束相干性的变化。仿真结果表明,在相同的大气条件下,与Kolmogorov谱相比,谱指数随高度变化的Non-Kolmogorov谱对传输光束的幅度以及相干性的影响更大。

EEMGSM光束在各向异性湍流中的光束质量因子研究

为了探究矢量椭圆多高斯-谢尔模(EEMGSM)光束的传输特性,基于广义惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩理论,理论推导了EEMGSM光束在各向异性湍流中传输的质量因子解析表达式.通过数值计算和分析,探究了初始偏振度、初始相干度、腰宽、波长和湍流结构常数等与质量因子的变化规律.结果表明,EEMGSM光束的质量因子随着阶数、波长和腰宽的增大而减小;随着初始相干度和湍流结构常数的减小而减小;在相同条件下,具有大初始偏振度的EEMGSM光束的光束质量受各向异性的影响小于具有小初始偏振度的EEMGSM光束的光束质量;且在相同条件下,EEMGSM光束的质量因子比标量椭圆高斯-谢尔模(EGSM)光束小,即EEMGSM光束具有缓解各向异性湍流影响的优点.所得结论对于自由空间光通信的研究具有一定的理论参考价值.

光子纠缠态在non-Kolmogorov大气湍流中纠缠退化的研究

基于non-Kolmogorov大气湍流谱理论,建立了双量子比特路径纠缠态在大气湍流中传输的数学模型,获得其纠缠退化的解析表达式,并进行了数值仿真。研究结果表明:当空间距离分布较小的双量子比特路径纠缠态在大气湍流中传输时,其纠缠度的保真度较高;同时,较长波长的纠缠光在折射率功率谱指数α较大、广义湍流折射率结构起伏结构函数C_(n)^(2)较大的non-Kolmogorov大气湍流中传输保真度较高。所建立的远距离纠缠态传输模型可定量分析纠缠退化问题,为自适应低误码率的远距离大气量子通信提供了可靠的理论参考。

Non-Kolmogorov湍流对光强影响的模拟实验

基于液晶空间光调制器进行了Non-Kolmogorov湍流的室内模拟实验,并对光强概率密度分布、光强闪烁指数及光强时间频谱进行了分析,完成了模拟实验结果与相关湍流理论之间的对比验证.实验结果显示:在弱湍流下,归一化对数光强近似服从正态分布,且随着湍流强度的减小,正态分布拟合系数增大;光强时间频谱高频段的幂律随着湍流功率谱幂律的减小呈减小趋势,与理论分析一致,但具体数值小于理论预测;闪烁指数则随着大气相干长度的增大而减小,在大气相干长度小于0.05 m的范围内闪烁指数急剧变化,在大气相干长度大于0.2 m之后趋近平缓,这一变化趋势与湍流幂律无关,与理论预测一致,表明湍流模拟实验能较好地再现湍流对无线光通信中接收光强的影响.模拟实验的误差分析表明,不同强度湍流的模拟实验其误差主要来源不同,可为实验的进一步改进提供针对性建议.

各向异性正则化的多帧遥感图像盲复原算法

在大气湍流较强时,一般的遥感图像复原算法难以取得较好的复原效果。针对这种情况,提出了一种基于各向异性约束的多帧遥感图像盲复原算法。该算法不需要成像过程的先验信息,仅根据图像及点扩散函数的非负约束和支持域约束,即可得到较好的复原结果;同时该算法能够自适应地调整正则化参数,在实现图像复原的同时,保持边缘并抑制噪声。试验结果验证了该算法的良好性能,复原后图像的质量得到较大提高。

Non-kolmogorov湍流下到达角分析的模拟实验

为了分析Non-kolmogorov湍流下的到达角,利用液晶空间光调制器设计了1km无线光通信模拟实验,研究了Non-kolmogorov湍流对到达角概率密度分布、到达角起伏方差和到达角时间频谱的影响。实验结果表明:湍流强度变大时,到达角起伏变大且到达角概率密度分布逐渐偏离正态分布,到达角起伏方差与湍流模型的关系也从开始的正增长逐渐变成负增长;到达角时间频谱的高频段幂律与湍流模型幂律成正增长。实验结果与理论基本一致。

近地面层湍流大气中光传输到达角起伏实验研究

为研究不同气象条件下近地面层湍流大气对光传输到达角起伏的影响,在校园内一块较平坦草地上开展了光传输实验。采用半导体激光器作为光源,传输60 m至接收端,使用焦距为1.300 mm的望远镜接收后由CCD相机采集光点灰度图片。根据灰度图片上光点位置计算传输路径上的大气湍流折射结构常数C_n^2以及垂直、水平两个方向到达角(Angle of arrival,AoA)起伏方差的比值。同时测量了传输路径附近的温度、风速等气象数据,计算稳定度参数Richardson数。结果表明,Richardson数大于临界值0.25时,垂直、水平到达角起伏方差比值均大于1.0;Richardson数小于0.25时,垂直、水平到达角起伏方差比值在1.0左右起伏。由此可以看到,稳定层结条件下,湍流表现为各向异性特征;不稳定层结条件下,湍流表现为各向同性特征。

激光二极管光束在各向异性非柯氏大气湍流中的传输质量

以厄米-高斯混合模形式描述激光二极管光束的分布,利用光束二阶项矩阵进行计算,研究了光束束宽与光束传输因子之间的关系,并对各向异性大气湍流中广义指数和各向异性系数对光束传输因子的影响进行了分析。结果表明,对于不同的湍流强度,均存在不同的束宽使得光束传输因子最小。此外,大气湍流模型中各向异性系数的增大使得大气湍流对光束传输因子的影响相应减小。通过二维光束质量轨迹图的仿真,证实了各向异性系数对光束传输因子轨迹的影响将随着传输距离的增大变得更加明显。所得结果将有利于大气光传输理论的发展,并对大气光通信、激光雷达探测等应用有着重要意义。

径向偏振部分相干扭曲光束在各向异性大气湍流中的传输特性

本文推导径向偏振部分相干扭曲光束(RPPCTB)在各向异性大气湍流中传输因子和空间扩展的解析表达式,主要分析扭曲因子等光束参数及各向异性因子等大气湍流参数对光束传输特性的影响,通过相应的数值模拟计算分析初始相干长度、束腰宽度、波长、扭曲因子、各向异性因子、湍流内尺度、湍流外尺度和广义指数参数对光束传输质量的影响。仿真结果表明,通过减小光束的初始相干长度,增加束腰宽度和波长,可以提高光束的传输质量,而增大光束的扭曲因子,光束有更小的传输因子,这表明通过合理地调控光束的扭曲相位,可以有效提高光束的抗湍流能力。

电磁反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的偏振特性

本文研究了部分相干电磁反常涡旋光束(PCEAVB)通过各向异性non-Kolmogorov大气湍流后的偏振度和偏振态的变化。研究结果表明,PCEAVB的偏振度分布为同心的圆环,而随着光束阶数n和拓扑荷数m的增大,同心圆环数逐渐增加,分布越密集。光束阶数n越高、拓扑荷数m越低,高偏振度分布区域越趋于中间区域;反之,则趋于外环分布。PCEAVB的偏振态随着传输距离z的增加由均匀线偏振变成非均匀线偏振,偏振角呈现圆环状分布,且偏振角较大的区域随着传输距离z的增大而逐渐向外环移动。拓扑荷数m越大、光束阶数n越小,PCEAVB的偏振角较大的区域越靠近于中心区域。而且光束阶数n和拓扑荷数m越大的PCEAVB,偏振态受到湍流的影响越小。且各向异性越强的大气湍流对PCEAVB的影响越小,光束演化得越慢。

聚焦贝塞尔光束在大气湍流中的螺旋相位谱

涡旋光束在大气中传输时的湍流效应导致其轨道角动量发生串扰,传输质量下降。为了有效减小光波在大气传输中的湍流影响,探索减缓湍流效应的措施,利用螺旋谱分析理论,研究了各向异性非Kolmogorov大气湍流及光束参数对聚焦贝塞尔光束的螺旋谱展宽和接收功率的影响。结果表明,光束的波长、拓扑荷数、束腰半径、宽度参数以及湍流的强度、各向异性程度、内外尺度均会对接收功率产生影响。通过多层相位屏模拟法对比研究了聚焦与准直贝塞尔光束的螺旋谱分布情况,分析得出聚焦贝塞尔光束的接收功率更高、串扰功率更低。

部分相干扭曲涡旋光束在大气湍流中的传输

研究各向异性大气湍流中部分相干扭曲涡旋光束(PCTVB)的M^(2)因子,并对其进行了数值模拟。研究结果表明,通过联合调控PCTVB的扭曲因子和涡旋因子,能有效降低湍流对光束传输质量的影响:调控扭曲因子和拓扑荷越大,PCTVB能更加有效地抑制湍流对光束传输质量的影响;调控扭曲因子和拓扑荷同号,PCTVB的抗湍流能力得到增强。对传统高斯谢尔模光束(GSMB)与PCTVB的M^(2)因子进行了比较,结果表明PCTVB的抗湍流能力明显强于传统GSMB。此外,还发现各向异性因子可以弱化湍流对光束传输质量的影响,且各向异性因子越大,湍流对光束传输质量的影响越小。

部分相干椭圆涡旋光在湍流下的相干特性演化

基于广义惠更斯-菲涅耳定理,对部分相干椭圆涡旋光在各向异性非Kolmogorov湍流下光谱密度、相干度及相干涡旋的演变进行研究,其中重点探讨相干涡旋作为部分相干涡旋光束的重要特性。研究发现,椭圆率、相干长度及湍流参数均影响守恒距离,且部分相干椭圆涡旋光在传输过程中新生的相干涡旋点比部分相干圆涡旋光新生的相干涡旋点更易分离。