Rytov相位结构函数二次近似和硬边光阑复高斯函数展开近似的验证

以受光阑限制的高斯光束在大气湍流中传输为例,用仿真程序数值模拟方法和实验方法对用Rytov相位结构函数二次近似和复高斯函数展开法得到的解析结果(如光强分布、二阶矩束宽、桶中功率和β参数)进行了比较验证。研究表明,解析结果与数值模拟结果和实验结果基本吻合。此外,对用不同研究方法所得结果的差异给出了合理的解释。

湍流大气中传输光波的波相位结构解析函数

在湍流大气对传输光波调制的双尺度湍涡 (大尺度湍涡和小尺度湍涡 )近似下 ,研究了用于计算描述湍流大气中传输光波相干长度变化的核心函数 (互相干函数 )的关键因子波结构函数 (WSF) ,通过建立包含不同尺度湍流因子的折射率起伏谱密度函数 ,导出了可以用于精确理论分析平面波与球面波在湍流大气中传播时所产生的诸如到达角起伏和相干性变化等效应的波相位结构函数的精确解析式 ,同时给出了便于数值计算的近似误差在2

递进式N×N型采样方式次谐波海洋湍流相位屏模拟方法

以N×N型采样方式次谐波法为基础,引入了递进式采样,提出了一种递进式N×N型采样方式次谐波法,用于数值模拟海洋湍流相位屏。该方法利用Nikishov提出的海水折射率波动谱模拟海洋湍流相位,通过相位结构函数和补偿效果验证该方法生成相位屏的准确性。通过改变递进区域个数、补偿阶数和谐波次数,比较分析相位屏参数对改变对相位屏准确性的影响。此外,将所提方法与N×N型采样方式次谐波法、改进的次谐波补偿法和改进的次谐波法进行比较。结果表明:递进式N×N型采样方式次谐波法只需谐波次数为11时,补偿效果即可达到0.9995,并且在准确度相同的情况下具有更快的模拟速度。

采用Zernike多项式对大气湍流相位屏的仿真和验证

采用Zernike多项式法模拟大气湍流相位屏,并使用大气相干长度和相位结构函数来验证所产生大气湍流相位屏的正确与否。仿真结果表明,Zernike多项式法产生的大气湍流相位屏在低空间频率部分与理论值研究较为相符,但在高空间频率部分的仿真结果与理论值差别较大,这是由于Zenike多项式算法本身存在一定的应用条件。此外,虽然可以通过增加Zernike多项式的阶数或者改变接收口径改变大气湍流相位屏上湍流的分布,但是却存在计算量大,计算复杂等缺点。因此,在激光通信系统的具体应用时,应该综合考虑,选择最佳的实验方案。

一种改进的次谐波大气湍流相位屏模拟方法

提出了一种改进的次谐波大气湍流相位屏模拟方法,通过对低频相位屏的采样方式进行设计,能够充分地补偿相位屏中的低频信息.利用该方法对符合Kolmogorov理论的大气湍流相位屏进行数值模拟,并结合相位结构函数和相对误差函数对所提方法的准确性进行验证,分析谐波次数和采样点数对模拟相位屏的影响.此外,还将改进后的次谐波法与经典的功率谱反演法、Zernike多项式法、分形法及改进前的次谐波法进行了对比,结果表明:改进后的次谐波法对应的相位结构函数与Kolmogorov湍流理论值最符合,即利用此方法生成的相位屏最准确.

湍流大气传输高斯谢尔光束的到达角起伏

研究了在弱大气湍流起伏环境下以窄带宽高斯谢尔光束为激光光源的大气通信问题,分析了大气湍流强度和光源空间相干度对通信光束到达角起伏的影响采用窄带宽光场的交叉谱密度函数代替光场互相干函数的近似方法和采用包含大气湍流内外尺度的简化折射率谱密度函数,得出了湍流大气中传输高斯谢尔光束的波结构函数(WSF)和到达角起伏方差解析近似关系分析表明。

大天顶角的到达角起伏(英文)

基于修正Kolmogorov谱，运用相位结构函数的平方近似，导出了适用于大天顶角传输的到达角起伏方差及其功率谱的解析表达式．研究结果表明，新导出的方差表达式在任意天顶角都是适用的．散射盘尺度和接收孔径对到达角起伏起平滑作用，当接收孔径远大于散射盘尺度时，由于孔径平滑作用，导出的表达式在任意天顶角都可以近似为弱起伏理论给出的结果；当接收孔径小于散射盘尺度时，散射盘尺度的平滑作用明显，接收孔径的平滑作用相对较小，传统的到达角起伏理论仅在小天顶角是适用的，在大天顶角必须用新导出的方差表达式．当接收孔径D〈25cm时，弱起伏理论给出的表达式的适用范围被限制在小于50°～70°的天顶角内．

大气湍流尺度和强度对到达角起伏的影响

考虑到光束通过大气时受到大气湍流的影响,理论上分析了到达角起伏的原因,通过利用马尔科夫和平均强度的平方近似所求得到达角起伏公式,采用变形谱 Von Karman 所得出的波结构函数 D(ρ,z),得出到达角起伏在考虑湍流内外尺度和强度影响下的到达角方差表达式.并在垂程方向上分析得出到达角方差随 L 增大而增大,在小于250 m 范围内,仅考虑湍流强度与考虑了湍流尺度和强度的影响相比,两者较接近,大于250 m 以后,考虑了湍流尺度和强度的影响比仅考虑湍流强度影响的大.

Consistency of the directionality of partially coherent beams in turbulence expressed in terms of the angular spread and the far-field average intensity

Under the quadratic approximation of the Rytov's phase structure function, this paper derives the general closed-form expressions for the mean-squared width and the angular spread of partially coherent beams in turbulence. It finds that under a certain condition different types of partially coherent beams may have the same directionality as a fully coherent Gaussian beam in free space and also in atmospheric turbulence if the angular spread is chosen as the characteristic parameter of beam directionality. On the other hand, it shows that generally, the directionality of partially coherent beams expressed in terms of the angular spread is not consistent with that in terms of the normalized far-field average intensity distribution in free space, but the consistency can be achieved due to turbulence.

Turbulence-induced changes in degree of polarization,degree of coherence and spectrum of partially coherent electromagnetic beams

Based on a recently formulated unified theory of coherence and polarization, a method is described to study turbulence-induced changes in the polarization, the coherence and the spectrum of partially coherent electromagnetic beams on propagation. The electromagnetic Gaussian Schell-model beam is taken as a typical example of partially coherent electromagnetic beams, and the closed-form expressions for the degree of polarization, the degree of coherence and the spectrum of electromagnetic Gaussian Schell-model beams propagating through atmospheric turbulence are derived in the quadratic approximation of Rytov's phase structure function. Some interesting results are obtained, which are illustrated by numerical examples and are explained in physics.

湍流大气中随机粗糙表面激光回波空间相干性仿真

根据广义Huygens-Fresnel原理,推导了von Karman湍流谱条件下激光回波复相干度的理论解析式;基于湍流相位屏分步传输算法和随机粗糙目标表面模型,实现了激光回波光场的仿真计算.首先通过镜面反射回波光场的仿真分析,验证了算法的正确性;然后基于1.1 km的均匀传输路径,综合分析了随机粗糙目标表面特性和路径湍流强度对回波光场复相干度的影响.结果表明:回波光场的空间相干性随目标表面高度均方根的增大而降低,随目标表面相关长度的减小而降低;当表面相关长度远小于大气相干长度时,回波相干性会被严重破坏.该研究可为目标表面特性或利用已知表面获取路径湍流状态的相干探测提供有益的参考.

自适应光学

O43 2000042996低阶模式校正自适应光学系统的补偿效果分析=Analysis of compensation effectiveness for adaptive optical systems used as low-ordermodes correction[刊,中]/饶长辉,姜文汉,凌宁（中科院光电技术研究所.四川,成都（610209））//光学学报.-1999,19（12）.-1615-1623引入规格化的相位谱,推导了大气湍流相位结构函数、低阶模式校正后的残余相位结构函数以及长曝光光学传递函数。分别给出了在各种不同大气湍流强度ρ0、

基于随机数据元扩张的大气湍流相位屏数值模拟

准确模拟大气湍流相位屏是建立大气湍流数值模型的核心问题。从大气湍流的统计学特性入手,利用大气湍流波前相位结构函数建立了一种新的大气湍流相位屏数值模拟方法,通过随机数据元扩张对大气湍流波前畸变相位分布的尺度随机性和高频分量随机性进行了模拟,并以此为基础通过相位屏近似构建了满足Kolmogorov统计规律的大气湍流数值模型。计算结果表明,随机数据元扩张法生成的相位屏在统计特性上与理论值基本吻合,在低频部分相对于功率谱反演法有明显的提升。同时,随着相位屏网格数的增加,计算结果的高频特性逐渐呈现并逼近理论值。对于由相位屏构建的大气湍流数值模型,在此通过光强闪烁率作为判据进行了验证,结果表明对于弱湍流和中等强度的湍流,模拟结果与理论计算基本相同;对于强湍流则误差较为明显,相对误差最大可达40%。

大尺度相干结构的光学特性研究

根据大气近地面层对流湍流池的实验结果 ,提出了一种用于描述大尺度相干结构的立体模型———椭球结构模型。计算并分析了该大尺度相干结构对光传输波前相位结构函数的影响 ,且和小尺度湍流结构作了比较。对于相同的参数 ,光线平行于间断面时造成的影响大于垂直于间断面 ;一般情况下 ,影响都很小 ;但当光线平行穿过具有三角波模型结构的间断面时可能产生较大的影响。

根据到达角协方差测量大气湍流外尺度

通过湍流大气中光波相位结构函数得到两点间的到达角协方差与大气湍流外尺度的关系,并利用差分到达角方差进行了归一化,进而得到大气湍流外尺度和差分到达角方差及到达角协方差的表达式。采用四孔到达角起伏测量仪进行了近地面水平路径的实验,测量结果表明在离地面6 m的高度上,湍流外尺度在4 m左右,并随时间变化,不同方向的测量结果有一些差别。

有限外尺度对大气湍流统计特征测量的影响

导出了有限外尺度影响下的相位结构函数和孔径平均的斜率相关函数的表达式 ,结果表明有限的大气外尺度对大气湍流统计特征的测量有很大的影响 ,尤其对大尺寸的望远镜和子孔径更是如此。基于科尔莫戈罗夫模型的大气相位结构函数和相干长度仅仅是本文推导结果的近似。对结果的分析表明 ,测量得到的对大气湍流科尔莫戈罗夫模型的偏离有可能是大气外尺度的影响 。