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。

激光远场大气稳定传输的光场调控技术研究

大部分激光器产生的激光为相干光束,在理想环境下,激光到达远场后其相干特性与出射时保持一致,且光强分布均匀,但由于大气环境中湍流的存在,激光到达远场后发生相互干涉,产生振幅起伏,即光强闪烁现象。文中主要从多个角度分析该现象形成的原因,并主要从相位、偏振态两个方面出发,提出相应的解决措施,并完成验证实验。实验结果表明,所提出的解决措施可实现较好的分布效果;又从理论方面提出了光源光束整形措施,提升激光远场光斑分布的性能;最后结合实际应用,分析了高空相对于地面大气湍流的区别,以及激光传输角度对激光远场传输的影响。从实际应用方面,涵盖针对激光远场大气传输能量稳定性的多项解决方案,用于指导启发同领域内相关技术的攻关,具体问题可根据文中原理内容提出具体实现方式。

小样本机器学习的激光传输效能评估方法

为解决激光大气传输外场试验数据集中特征量不足的小样本问题,通过多层相位屏算法构建了激光大气传输模型,获取了4000多组仿真数据,与332组近红外激光大气传输外场试验数据组成机器学习训练数据集。将大气参数、传输距离等作为输入项,4种到靶光斑的光场评价因子作为输出项,利用随机森林算法训练光场评价因子预测模型,实现激光大气传输效能评估,并利用202组实测外场数据对模型有效性进行验证。研究结果表明,随机森林算法构建的模型R2系数在0.89以上,可以较好地拟合输入与输出之间的多元回归关系;模型预测结果与真实试验结果的平均相对误差在10%以下,预测精度较高。研究结果可为机器学习算法在激光传输效能评估中的应用提供一定的科学依据,为激光大气传输效能评估提供一定的技术支撑。

激光实际大气传输湍流效应相位校正一些实验结果

进行了近地面水平大气中激光传输湍流效应及其自适应光学相位校正实验，对光束振幅起伏、到达角起伏及其远场Strehl比进行了测量分析。实验结果表明，光束到达角起伏功率谱在低频段（f＜0．4υ／d）近似地满足-2/3次幂关系，而在高频段（f＞0．4υ／d）则近似满足-8／3次幂关系。在较弱湍流效应情况下时数振幅起伏方差小于0．3），相位补偿是有效的，而在较强湍流效应树数振福起伏饱和）时，自适应光学系统常常不能实现稳定闭环。由于传输场景地形复杂，湍流效应及其相位校正效果定量规律的描述还需进一步研究。

激光大气传输中热晕的数值模拟

采用快速傅里叶变换,研究了激光在大气传输中的热晕现象。得出了一定条件下,热晕随激光输入功率和传播距离的稳态变化规律,并计算了激光在大气中传输10km时发生热晕的功率阈值。在瞬态情况下,研究了有风和无风热晕现象。

激光大气湍流传输光强起伏及光斑面积实验分析

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强起伏进行了昼夜观测,每次以0.01Hz采样频率连续采集10min数据作为样本,将计算出的光强起伏方差和到达角起伏方差归一化,进而计算出长春地区的实际大气折射率结构常数,并对不同孔径接收的光斑面积进行了分析和计算,实验结果表明:9月份的C2n值要比12月份高两个数量级;而从光斑面积随着统计数据分布的规律可以看出,相比200mm的接收孔径,接收孔径为55mm时统计方差大大降低,说明大孔径接收时光斑面积要大,可有效抑制光斑面积随时间的起伏效应,所得的结果对大气信道激光通信研究具有一定的借鉴作用。

激光大气传输模拟程序CLAP及其应用

基于已有的工作基础,利用高效的科学计算语言FORTRAN95,开发完善了一套实用化的激光大气传输模拟程序.该程序基于光场传播的抛物型方程和多层相位屏技术,实现了激光大气传输的湍流效应、热晕效应以及湍流和热晕相互作用等的数值模拟.通过内置的4种激光大气传输路径以及10种光学湍流廓线等,可以在多种传输模式下对圆形、环形和方形等光束的传输过程和效应参数进行仿真计算,光传播的实时过程利用OpenGL技术能够三维动态显示.模拟软件的用户界面友好,计算参数设置方便,可以有效地为自由空间光通信、激光雷达探测以及随机介质中的光传输研究等提供理论分析和性能预测.

激光大气传输透过率的分析

光电对抗中，激光的大气传输透过率的计算是人们非常关注的一个重要问题，它对探测／干扰激光器发射功率的确定有着直接的关系。本文就此问题进行了理论分析，并给出计算方法。

激光大气传输透过率影响因素研究

激光大气传输在激光测距、遥感、激光制导以及激光自由空间通信等领域应用广泛。传输前后激光能量的透过率决定了接收端光学系统入射光强的最大值。因此,对影响透过率各种因素的全面研究十分必要。采用大气辐射传输计算软件MODTRAN对激光大气传输路径上的气体分子和气溶胶分布进行模拟,综合考虑地形、海拔、气候条件以及天气变化等众多因素的影响,对激光大气传输透过率的变化进行系统分析。仿真结果表明:激光的大气传输透过率具有波长依赖性,其受纬度和季节变化的影响程度也与波长有关,以8mm至14mm波段激光较为明显;激光大气传输透过率受地形影响明显,透过率数值随激光出射海拔与地表海拔之差DH的增大而增大,但增速逐渐减慢,因此最终透过率趋于稳定值;短波激光(1.06mm)水平传输透过率随DH的增长存在阈值性,阈值与地表海拔高度有关;激光斜程传输天顶角增大会导致透过率数值减小,减小幅度在天顶角接近0度和90度时变小。

HF/DF激光传输的大气衰减特性

大气中的水汽对DF激光主要强线的吸收相对较小,而HF激光的大多数谱线受水汽和CO2分子等的吸收较大。利用较新的HITRAN96数据库和我国不同地区的气象资料,采用逐线积分法计算了HF/DF激光的大气衰减情况。所选的谱线中,在合肥地区(年平均),HF的水汽吸收系数最大值可达到10km-1的数量级,二氧化碳吸收系数最大可达10-4～10-3km-1量级,P2(8)线吸收最弱;DF激光水汽吸收系数最大值可达到10-1km-1,比HF低2个量级,且随高度衰减很快,10km处就到10-5～10-4km-1量级,P2(8)线吸收最弱。在我国,由南向北,由夏季到冬季,水汽浓度减少,大气对HF/DF激光的吸收率也相应地递减。

高能激光大气传输的仿真实验研究

对高能激光在大气中传输时产生的热晕效应及其相位补偿进行了室内仿真实验测量,获得了自适应光学系统开闭环时用来衡量光束传输效果参量(如远场的光斑图像、质心漂移、二阶矩半径、及Strehl比等)。结果表明,Bradley-Hermann热畸变参数在300范围内,自适应光学系统相位补偿效果显著,Strehl比基本大于0.4。然而随着热畸变效应的进一步加强,出现相位补偿不稳定性现象,补偿效果变差。另外,对自适应光学系统开闭环时的实验结果分别与薄透镜近似分析理论及几何光学近似理论作了比较。比较结果表明:薄透镜近似理论与未补偿时的实验结果吻合较好,而几何光学近似理论与补偿后的实验结果存在较大的偏差。

聚焦脉冲激光大气传输热晕效应的数值分析

利用激光大气传输四维程序对序列脉冲激光大气传输热晕效应进行了数值计算和分析。对于均匀大气路径上聚焦传输序列脉冲激光进行数值仿真计算得到，风场渡越时间内的脉冲数Np在2～6之间有利于传输；然后对实际大气模式下序列脉冲激光进行了数值计算，得到的平均脉冲数N^-p可以在一定条件下对序列脉冲激光进行定量表征的结论。

激光大气传输湍流与热晕综合效应

讨论了激光大气传输时的湍流与热晕综合效应问题。提出了根据湍流效应对热晕经验公式进行修正的处理方法,其物理基础是在湍流效应较明显的情况下,由相干距离决定的湍流Fresnel衍射参数远小于由发射口径决定的Fresnel衍射参数时,小尺度热晕的影响超过整束热晕占主导地位。将修正的经验公式与基于数值计算的定标公式相比较,结果令人满意。

基于虚拟仪器的激光大气传输光斑漂移测量

光斑漂移对激光在大气中的工程应用具有重要的影响。设计了一个基于虚拟仪器的激光大气传输光斑漂移测量系统,以NI公司的LabVIEW为核心,通过其强大的硬件接口和CCD完成激光光斑图像信号采集,通过软件接口及Matlab强大的数据处理能力完成信号处理与光斑漂移分析,为激光大气传输特性研究提供了一种新的检测手段。

激光大气传输研究若干问题进展

本文主要总结1995年以来，大气光学重点实验室在激光大气传输研究方面取得的一些重要进展：（1）较系统地测量了影响激光大气传输的大气光学参数，积累了一批资料；（2）提出利用双差分吸收激光雷达测量大气臭氧垂直分布以及利用偏振光的散射测量同时决定大气气溶胶的复折射率和谱分布的新方法；（3）证明了有限时间大气相干长度测量值是一个随机量，并推导出其概率密度分布函数的表达式；（4）提出了描述湍流大气中激光光强起伏的概率分布及激光光斑统计特征的方法；（5）在实际大气湍流与模拟大气湍流中，第一次用实验方法得到了自适应光学相位校正效率与大气湍流强度的定量关系；（6）你建立了有一定特色的包括自适应相位校正的强激光大气传输四维数值计算程序，并得到了部分实验验证。

驻区效应对激光大气传输的影响

对聚焦、转动束的驻区效应作了理论分析，并用激光大气传输四维程序作了校算。理论分析与程序计算结果均表明：在许多情况下，驻区效应的影响并不严重，原因是驻区长度上的激光束热畸变数不大，热畸变扩束半径小于衍射扩束半径。

激光大气传输衰减的估算方法

在对影响激光大气传输衰减的主要因素进行分析的基础上,从分子和气溶胶衰减、雾的衰减、雨的衰减和雪的衰减等方面,深入研究了1.06μm和10.6μm激光的大气传输衰减的估算模型,并利用Matlab仿真软件分别对其进行了比较分析;最后对激光大气传输衰减的斜程修正问题进行了论述。

高平均功率固体激光及其大气传输

固体激光器是一种具有重要应用背景的高功率激光器，对包括激光波长、光束发射口径、发射功率、光束质量等在内的激光器参数的选择进行了分析。研究了大气介质的光学性质、激光大气传输效应以及激光辐射与靶目标的耦合机制与耦合效率等因素的影响。相关结果表明100kW的固体激光器的综合效能可与2～3倍平均输出功率的DF化学激光器相当，这说明高平均功率固体激光器是一种具有潜在优势和良好发展前景的高功率激光器。

SBS相位共轭技术在激光大气传输中的应用

评述了受激布里渊散射相位共轭技术在激光大气传输中的应用 ,重点分析了在激光大气传输过程中利用受激布里渊散射阈值效应可以在目标上主动获得小面积信标光斑的方法及利用SBS相位共轭实现激光大气传输的闭环过程 ,指出其发展前景。

在激光大气传输中利用SBS阈值效应实现小面积信标的研究

在理论上建立起将受激布里渊散射(SBS)与激光大气传输过程相结合的激光补偿传输的数学模型,并进行了数值模拟,提出并证明了利用SBS阈值效应可以将相位共轭光会聚到目标上一个小面积上,从而在目标上主动获得小面积信标光斑。利用SBS实现激光大气补偿传输(传输距离250m)的实验研究,证实了上述理论预期。