非Kolmogorov湍流中激光光斑漂移的统计模拟

激光光束在湍流大气传输过程中光斑位置发生漂移,从而影响目标跟踪、激光通信等应用。本文采用功率谱反演法和低频补偿法构建等效结构常数的非Kolmogorov湍流随机相位屏,模拟高斯光束在非Kolmogorov湍流传输过程,对产生的光斑漂移量进行研究,提出了基于贝叶斯定理的光斑漂移估计模型。实验结果表明:漂移量估计精度随湍流强度和传输距离的增大而减小。光斑后验模型相较于移动平均模型的平均绝对误差小,估计精度较高。

部分相干平顶光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离

给出了部分相干平顶光束通过非Kolmogorov湍流传输的湍流距离解析表达式,并研究了非Kolmogorov湍流的湍流广义指数、内尺度、外尺度和光束参数对部分相干平顶光束湍流距离的影响。研究表明：湍流距离随相干参数、束腰、外尺度（当湍流广义指数的取值为3.6~4.0时）的增大而减小;随光束阶数、内尺度的增大而增大;随湍流广义指数先减小后增大,且在湍流广义指数取3.11时存在极小值,即光束扩展的极大值。同时利用湍流广义指数及光束参数,具体比较了湍流距离与瑞利区间的大小,并指出光束参数及湍流广义指数决定了湍流是否在瑞利区间内就能对光束扩展构成明显的影响。

双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离

为了研究双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的扩展,采用广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出部分相干双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离zt的解析表达式。对湍流参量(广义指数α、内尺度l0、外尺度L0)和光束参量(相干参量β、离心参量δ)对湍流距离的影响进行了理论分析。结果表明,zt随α的增大而先减小后增大,且在α=3.11处存在zt极小值;zt随l0和δ的增大而增大,随L0(仅当3.6<α<4时)和β的增大而减小。这一结果对双曲余弦高斯光束在实际湍流中传输的相关应用是有帮助的。

截断光束在非Kolmogorov湍流中的扩散角及方向性

采用非Kolmogorov湍流模型,给出了截断光束在湍流中的二阶矩束宽和扩散角表达式,利用相对扩散角定量研究湍流对光束扩散角的影响,同时研究了光束在非Kolmogorov湍流中的方向性。研究表明,扩散角θsp和相对扩散角θsp/θspfree随湍流广义指数α的增大而先增大后减小,且在α=3. 11处有一个极大值;θsp/θspfree随随截断参数δ和相干参数β的增大而增大。另外,研究指出截断光束在湍流中的方向性与所采用的湍流模型无关,即不同参数的截断光束在非Kolmogorov湍流中也可具有相同的方向性。本文对重要结论给出了相关的物理解释。

非Kolmogorov湍流情况下低阶校正自适应光学系统的性能分析(英文)

系统地研究了非Kolmogorov湍流情况下低阶校正自适应光学系统的性能.从理论上分析了非Kolmogorov湍流情况下相位扰动的空间特性和时间特性,推导了相位扰动的空间结构函数、时间结构函数以及时间功率谱.基于哈特曼—夏克波前传感器,提出了一些测量大气参数的新方法.引入模式时间校正因子和模式非等晕因子,分析了低阶校正自适应光学系统的波前残余误差,并首次对扩展目标情况时低阶校正自适应光学系统的非等晕误差进行了研究.此外还根据实际采集的太阳表面米粒结构图像。

非Kolmogorov湍流相位屏仿真及对光束传输模拟的影响

采用正态分布模型来描述传播路径上功率谱幂值的非均匀性,利用功率谱反演法构建了基于等效结构常数的非Kolmogorov湍流相位屏,并利用多重相位屏法进行了高斯光束在均匀各向同性湍流与非Kolmogorov湍流两种模型下的传输模拟。通过观察模拟光束的光强均匀度、光束漂移以及闪烁指数等,研究了非Kolmogorov湍流对光束传输模拟的影响。结果发现,当光束通过单个非Kolmogorov相位屏时,光强最大值与光强均匀度随着幂值先增大后减小,光束漂移随幂值在一定范围内单调变化。当光束通过多重相位屏时,发现模拟光束的光强闪烁指数会受到相位屏数量以及湍流模型的影响,当相位屏数量较多时,均匀各向同性湍流模型下模拟得到的光强闪烁指数会大于非K湍流模型下的结果,且非K湍流模拟的光束漂移与均匀各项同性湍流模拟得到的光束漂移的相对误差会随着相位屏数量增多而趋于0。

空心光束在非Kolmogorov湍流传输路径上的区域分割

为了研究空心光束在非Kolmogorov湍流传输路径上的区域范围与各参量之间的关系及不同区域内光束的扩展情况,采用广义惠更斯-菲涅耳原理推导了空心光束传输于非Kolmogorov湍流中的二阶矩宽度、瑞利区间及湍流距离的解析式,并利用湍流距离把传输路径分割为3个区域进行数值分析。结果表明,区域Ⅰ、区域Ⅱ的长度及区域Ⅲ的起始点都随湍流广义指数α的增大而先减小再增大(当α=3.11时出现一个极小值),且随遮拦比η和光束阶数M(及N)的增大而增大;M(及N)取值较小时(M(及N)<3),湍流在瑞利区间内对光束扩展造成的影响不能忽略,M(及N)和η越大,越容易忽略湍流在瑞利区间内对光束扩展所构成的影响;光束在传输路径上依次进入区域Ⅰ、区域Ⅱ及区域Ⅲ,其光束扩展逐渐变得更加剧烈,且随着M(及N)和η的增加,区域Ⅱ长度和区域Ⅲ的起始点相较于区域Ⅰ的长度增加更为显著。该研究结果为空心光束传输于湍流中的相关应用提供了参考。

非Kolmogorov湍流大气中激光传输及其相位补偿研究

基于非Kolmogorov湍流谱理论,建立了激光在非Kolmogorov谱湍流大气中传输的数学物理模型,并在此基础上进行了数值仿真。结果表明湍流谱指数对激光传输特性及其相位补偿有重要影响。在相同广义大气折射率结构常数条件下,湍流谱指数接近区间(3,4)两端时,激光远场光束质量较好;湍流谱指数趋向4时自适应光学相位补偿效果较好。在广义大气相干长度相同的条件下,峰值Strehl比随湍流谱指数增加而增加。针对归一化功率谱下激光传输特性进行了探讨,初步揭示了激光在非Kolmogorov湍流大气中的传输机理。

非Kolmogorov大气湍流下部分相干光偏振状态对相干探测灵敏度的影响研究

本文讨论了在非Kolmogorov湍流下部分相干电磁高斯-谢尔模型(Electromagnetic Gaussian-Schell Model,EGSM)光束用于相干探测时系统的性能.基于相干探测理论推导了EGSM光束在非Kolmogorov湍流下斜程传输时系统灵敏度的表达式.研究了在误码率为10-9下上行和下行传输时光束在不同偏振状态、功率谱幂律、湍流尺度、传输距离、天顶角、探测器参数、接收端高度或光源高度对相干探测系统灵敏度的影响.结果表明:在非Kolmogorov湍流谱下,系统灵敏度会随着功率谱幂律的增大而增大;在相同条件下,上行传输时的系统探测灵敏度大于下行传输;在链路条件相同的情况下,完全偏振的EGSM光束用于相干探测时的灵敏度均比非偏振光束的灵敏度大3 dBm.最后,建立了EGSM光束相干探测系统,通过实验验证了部分偏振EGSM光束用于相干探测的系统灵敏度介于完全偏振和非偏振之间.

基于ISMM方法的非均匀磁化等离子体湍流中电磁波传播特性研究

由于传统散射矩阵法(scattering matrix method, SMM)在计算过程中会产生奇异矩阵,本文基于改进的SMM (improved SMM, ISMM)结合一维磁化等离子体湍流模型,计算了等离子体湍流介质对电磁波在不同入射角下的反射系数和透射系数,同时分析了电磁波在非均匀磁化等离子体中的传播特性。结果表明,湍流的出现极大地影响了等离子体鞘套中电子的运动规律,使其运动过程中能量衰减增多,因此其在0~35 GHz的透射系数增大;另一方面外部磁场的增大,对左旋圆极化波与右旋圆极化波的传播特性影响相反,这是因为在左旋情况下,左旋圆极化波的旋转方向正好与电子的旋转方向相同,右旋圆极化波相反;随着入射角度的增大,相当于电磁波在等离子体湍流中的传播距离增大,导致更多的电磁波能量被吸收;此外,考虑非均匀磁化情况后,电磁波在0~35 GHz频段内的右旋圆极化的透射系数更大。这些结果为研究电磁波在非均匀磁化等离子体湍流介质的传播特性提供了理论依据。

环状光束在非Kolmogorov大气湍流中传输的理论研究

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,利用非Kolmogorov谱,推导出环状光束在非Kolmogorov大气湍流中传输的束宽和角扩展的解析表达式.从理论上分析,它们的变化除了与环状光束的光束参数(束腰、波长、阶数和遮拦比)和传输距离有关外,由于湍流的影响,还与湍流的广义指数参数α、内尺度l0和外尺度L0有关,并进行了一定的物理解释.

反应性射流中湍流/非湍流界面附近标量输运特性

湍流/非湍流界面(turbulent/non-turbulent interface,T/NTI)层分隔开湍流区和非湍流区,研究T/NTI有利于加深对湍流区和非湍流区之间传质的理解。通过开展射流和环境流间发生二级非平衡基元反应(A+B→R)流场的数值模拟,研究了该流场中各组分在T/NTI附近的化学反应和标量输运特性。研究结果表明:反应性射流流场中对流项在湍流区域的标量输运中占主导地位。射流的上游处化学反应较为剧烈且随着流向逐渐减弱,在T/NTI层内及其附近均存在显著的化学反应,而下游T/NTI层附近的化学反应主要发生在远离T/NTI层的湍流核心区。在T/NTI层附近,反应物A和生成物R的输运机制呈现类似但相反的趋势。在无旋边界附近,反应物A和生成物R的输运主要由扩散和对流作用共同影响,但其浓度几乎不随时间发生变化。在T/NTI层内,反应物B的输运主要由对流作用影响,T/NTI附近的流动阻碍化学反应后所余较少的反应物B向无旋边界输运。

近地面层大气非Kolmogorov湍流特征参数测量

分析了2011年1月13日至17日超声气温时间序列数据,不仅采用结构函数和谱分析方法得到了Kolmogorov结构常数C2n,而且提出了非Kolmogorov湍流特征参数测量方法,获得了非Kolmogorov谱幂率α、广义折射率结构常数珟C2n以及等效折射率结构常数珚C2n等测量结果。结论如下:1)实验期间一维温度谱幂率在-1.9<-α1<-1.5范围内的频数为77.9%,弱湍流时谱幂率与Kolmogorov-5/3谱相比偏平;2)单点温度结构函数法和单点温度频谱法测量C2n差别不大;3)C2n和珟C2n量级和变化趋势基本一致,差别主要体现在弱湍流时C2n比珟C2n小,往往发生在谱幂率偏平的时段;4)珟C2n与珚C2n量级和变化趋势基本一致,差别主要体现在珚C2n有一些起伏,且与给定波长λ和传输路径长度L的选取有关。

非Kolmogorov湍流对高斯-谢尔光束的瑞利区间和湍流距离的影响

推导出了高斯-谢尔(GSM)光束通过非Kolmogorov湍流大气传输的瑞利区间zR和湍流距离zT解析表达式,并研究了湍流参量(广义指数α、内尺度l0及外尺度L0)对部分相干光扩展的影响。研究表明,随着α的增大,zR先减小而后增大,且在α=3.11处时存在极小值,即光束扩展的极大值。zR随L0的减小而增大(仅当3.6<α<4时);zR随l0的增大而增大。当α>3.11时,α越大,l0对于zR的影响越小。值得指出的是:若相干参数β或束腰半径w0较小时,不论α取何值,在瑞利范围之内,湍流大气对光束扩展几乎不构成影响;相反,β或w0取较大值,不论α取何值,在瑞利区间范围内湍流大气对光束扩展都会产生明显的影响。此外,若β或w0取值在一定范围内,湍流大气是否能在瑞利区间范围内对光束扩展构成影响将与广义指数α相关。

非Kolmogorov大气湍流温度谱标度指数的测量与分析

阐述了非Kolmogorov湍流谱理论以及湍流谱标度指数的测量与计算方法。在近地面多个地点对大气湍流温度起伏进行了多次的实验观测,结果表明:实际大气湍流温度谱标度指数多数不等于-5/3,并且通常在-2到-1之间变化。分析了湍流温度谱标度指数与湍流发展程度的相关性,利用小波分析方法展现了不同湍流强度下湍流温度脉动能量在各尺度之间的分配状态,发现湍流温度谱标度指数的绝对值在一定程度上随湍流强度的增加而增大。

部分空间相干光束在非Kolmogorov湍流大气中的有效曲率半径

激光在湍流大气中的传输有重要的理论研究和实际应用意义.以高斯-谢尔模型(GSM)光束作为部分空问相干光的典型例,基于非Kolmogorov普和广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出GSM光束在非Kolmogorov湍流中的有效曲率半径的解析表达式.重点研究了湍流参数(包括广义指数α,内尺度l0和外尺度Lo)和传输距离z分别对GSM光束有效曲率半径的影响.结果表明,有效曲率半径R_x(z)随α和2增加先减小然后再增大,随L_0,的减小而增大(3.6<α<4),随l_0的增加而增大.并对结果做了物理解释.

非Kolmogorov大气湍流对高斯阵列光束光强闪烁的影响

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,采用Rytov方法推导了径向分布高斯阵列光束在非Kolmogorov湍流大气中传输时的光强闪烁指数表达式,分析了径向半径r0、光束个数N、广义指数α及传输距离L对轴上和离轴闪烁指数的影响。结果表明:轴上和离轴闪烁指数随着α的增加均先增大后减小,值得注意的是不同的r0光束的闪烁指数达到极大值所对应的α略有不同,轴上闪烁指数随着r0的增大达到极大值所对应的α呈减小趋势,而离轴闪烁指数随着r0的增大达到极大值所对应的α呈增大趋势;光轴附近各阵列光束的闪烁指数小于高斯光束的闪烁指数,随着px的增大阵列光束闪烁指数将大于高斯光束闪烁指数。当r0相同时N越大闪烁指数越小,当N相同时闪烁指数随r0的增大非单调变化,而是存在一个极小值。

非Kolmogorov湍流对部分相干环状光束瑞利区间的影响

求解出了部分相干环状光束在非Kolmogorov湍流中的瑞利区间解析表达式,并研究了湍流参量(广义指数α、内尺度l0、外尺度L0)和光束参数对光束瑞利区间的影响。研究表明,湍流中瑞利区间zR|turb随湍流增强而减小,且始终小于自由空间中瑞利区间zR|free;zR|turb随L0(当3.6<α<4时)的增大而减小,随l0的增大而增大;zR|turb随α的增大先减小后增大,且在α=3.11处时存在极小值。此外,湍流对于光束瑞利区间的影响随相干参数β、束腰w0增大和遮拦比ε、光束阶数M(N)的减小而增大。

基于拉盖尔-高斯光束的通信系统在非Kolmogorov湍流中传输的系统容量

涡旋波束在大气湍流中的传输有非常重要的理论研究和实际应用意义.本文基于利托夫近似和广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出拉盖尔-高斯(LG)光束在非Kolmogorov湍流中斜程传输时的螺旋谱,并进一步推导出系统的容量.对基于LG光束的通信系统容量进行了数值计算,并对指数参数、光束波长、天顶角、湍流内尺度、外尺度、结构常数对系统容量的影响进行了分析比较.本文的结论能够为LG光束在非Kolmogorov湍流中的通信提供一定的参考价值.

截断高斯-谢尔光束在非Kolmogorov湍流中的相对扩展

为了研究截断高斯-谢尔光束在非Kolmogorov湍流中的相对扩展。采用广义惠更斯-菲涅耳原理和积分变换技术求解出了光束在非Kolmogorov湍流中的二阶矩束宽和相对束宽的表达式,并定量地研究了束宽和相对束宽随束腰w0、相干参数α、截断参数δ及湍流广义指数γ的变化规律。研究发现α和δ越小,湍流对光束扩展的影响则越小,湍流对光束扩展的影响随w0和γ的增大而先增大后减小,并对主要结果给出了相应的物理解释。