折迭式FFT算法对激光大气传输湍流效应的数值模拟

对传统的激光大气传输湍流效应的数值计算方法进行了改进。提出了一种快速折迭式FFT算法。该算法既可对湍流的高频谱抽样,亦可对湍流的低频谱进行修正。数值计算结果表明,这种算法提高了计算速度和精度,降低了对计算机内存容量的要求,并且更真实地模拟了大气湍流的强弱效应。

激光传输模拟中基于衍射过程FFT算法的参量优化

为实现采用相位屏法正确模拟准直激光束经湍流大气的传输特性,根据湍流特性、抽样定理以及两屏间衍射过程FFT算法本身所决定的相邻两屏网格间距之间的关系,得出相位屏间距和网格间距确定网格数目最优取值的解析表达式,数值模拟高斯光束经自由空间和湍流大气传输的远场分布,网格数目取解析式求得的最优值848时,光束经自由空间传输的模拟结果与ABCD定律求得的解析结果完全一致;网格数目取836或860时,等效于光束通过偶数相位屏时被正透镜或负透镜阵列会聚或发散,削弱或夸大湍流大气对光束的影响,模拟结果出现严重偏差。

大气湍流对LIF探测海面溢油影响的BRRDF仿真研究

及时定位海面溢油事故发生地并监测海面溢油信息对海洋污染治理和海洋生态环境保护有重要意义。激光诱导荧光(LIF)可搭载于无人机构建LIF雷达系统并应用于海洋环境监测。LIF雷达系统以大气为传输信道,大气湍流会导致信号衰落。双向反射再辐射分布函数(BRRDF)利用受激辐射荧光光子的权重、位置和方向描述物质的荧光特性,为LIF探测海面溢油提供理论指导。基于大气湍流理论和蒙特卡罗方法模拟海面溢油的受激辐射荧光过程,建立光子传输模型进行海面溢油BRRDF的仿真研究。仿真分析不同湍流强度下,光强闪烁、光束漂移、光束扩展效应对海面溢油BRRDF的影响。仿真结果表明,海面溢油受激辐射荧光信号具有各向同性,其强度与激发光的强度成正比。光束漂移效应对荧光漂移范围影响微弱,可以忽略;在弱大气湍流下(湍流强度参数σ_(R)^(2)<1),BRRDF所表征的荧光信号强度集中在2×10^(-5)~5×10^(-5)范围内,荧光光斑半径由1mm扩展至5mm,LIF雷达系统可以正常进行探测工作;大气湍流强度到达中等后(σ_(R)^(2)≈1),荧光信号强度在10^(-5)~10^(-4)范围内波动,荧光光斑半径扩展至15mm,此时大气湍流的不利影响无法忽视,LIF雷达系统探测到的荧光信号不够稳定,最终导致光谱不理想。在实际探测中,可通过适当提高探测器性能参数来增强系统的抗湍流能力。强大气湍流下(σ_(R)^(2)=25),出现光斑破裂现象,荧光信号分散并衰落至某一阈值之下,LIF雷达系统无法探测到荧光信号。文中的分析与提出的可行的研究建议,为LIF探测海面溢油相关研究提供参考依据,对LIF雷达系统设计具有一定的参考价值。

激光大气折射率结构常数测量实验与分析

在相距600 m 的两地进行了静态激光大气传输实验,并对接收到的光强和光束到达角起伏进行记录.以每10min 所记录的数据作为样本,计算出光强起伏方差和到达角起伏方差,并根据理论孔径平滑因子计算出点接收时的光强起伏方差,再分别根据光强起伏方差和到达角起伏方差计算出大气折射率结构常数.最后,得到一天之内大气折射率结构常数的变化曲线,并分析得出大气折射率结构常数在早晨和傍晚存在极小值.

大气湍流对激光传输的影响

为了研究大气湍流对激光传输的影响,以大气湍流的激光传输效应为基础,建立了激光到达接收面的光强分布模型。模型考虑了折射率结构常数、传输距离、发射面和接收面孔径以及湍流引起的光束展宽等参数,分析这些参数对接收面光强分布的影响,以此研究大气湍流对激光传输的影响,并提出降低湍流影响采取的措施。

大气信道对空-地光通信的影响分析

大气随机信道对激光传输性能的影响是制约空-地激光通信的重要因素之一,因此开展对大气信道的研究对实现空-地激光通信具有非常重要的意义。对激光在大气中传输特性的研究,有助于了解激光通过大气信道传输时所产生变化的特征、规律和在空-地激光通信系统设计中寻找到合理的解决方案并很好地修正、补偿其对通信链路的影响。本文对激光在大气信道中的基本传输特性及大气随机信道对激光通信的影响进行了研究,同时提出了一些相应的解决途径。

激光大气湍流传输数值实验建模与计算机模拟

针对激光大气湍流传输数值模拟问题,提出根据平均光强分布来确定光场网格采样保存区域的方法,设计出并行集群模拟方案。通过模拟实例,研究了准直基模高斯光束经大气湍流传输后的平均光强和拉盖尔-高斯光束经大气湍流传输后的空间模构成变化问题。分析结果表明:对水平传输情形,相对于高阶矩匹配法,用零阶矩匹配法确定随机相位屏大气相干参数能得到更高的模拟精度;大气湍流导致拉盖尔-高斯光束发生模间散射,其强度取决于绝对湍流强度以及光束的发射平面参数、径向指数和方位指数。

湍流大气中的光波闪烁研究

根据湍流大气弱起伏区中的经典Rytov解 ,利用修正的湍流谱 ,将光波的强度起伏看成是由小尺度湍流起伏乘以大尺度湍流起伏的调制所决定的 ,在非零内尺度湍流模型下 ,得到了平面波和球面波入射时从弱湍流区到强湍流区闪烁指数随Rytov方差的变化规律 .最后讨论了零内尺度模型下归一化强度协方差函数随湍流强度的变化情况 .

强激光大气传输时的湍流效应

强激光通过大气环境后,在目标处希望得到振幅与相位未畸变的激光束.大气环境,尤其是大气湍流状态是对其有根本性影响的历史性难题.激光系统的设计和使用中必须要考虑这些问题.本文对湍流中标量场的标度指数、统计分布及激光在大气中传播等问题中提出几个值得研究的问题.

湍流大气中光波闪烁的斜程问题研究

根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU R湍流大气结构常数模型 ,将水平传输的修正Rytov方法扩展到了斜程传输问题中。在零内尺度湍流谱模型下 ,得到了平面波入射时从弱起伏湍流区到强起伏湍流区闪烁指数随斜程Rytov方差的变化规律 ,最后讨论了闪烁指数随天顶角的变化情况。

湍流大气中高斯波束地-空传播闪烁研究

根据光波波束传播理论及ITU-RC2n模型,应用在强起伏下引入空间滤波函数的修正Rytov方法,在零内尺度湍流谱模型下,得到了从弱到强起伏下的高斯波束激光在水平和地-空路径上闪烁指数随Rytov方差变化的模型。通过理论分析,该地-空路径传播的闪烁模型在一定条件下能退化到水平视距传播闪烁模型,也能分别退化到已有的平面和球面波的地-空和水平视距传播的闪烁模型。并通过数值分析,结果和理论分析结果一致。最后还讨论了闪烁指数随波束宽度和路径天顶角的变化情况。

城市路径下激光光强起伏特性测量及链路余量估算(英文)

在城市环境下进行了3.5 km的激光大气传输实验。实验中对光强起伏和到达角起伏进行了同步测量,分析了接收光强起伏的统计特性以及传输路径上大气折射率结构常数的特性。基于实验结果,对自由空间光通信中不同闪烁指数下的衰落冗余以及不同探测阈值下的衰落概率进行了估算,从而为空间光通信系统的设计提供可靠的实验基础。

大气激光束漂移的实验研究

为了研究激光束在大气中的漂移情况,对激光束在大气中的传输做了实验研究。采用电荷耦合器件CCD成像技术对光斑的漂移情况进行了测量。对光斑漂移在水平和垂直方向的变化进行了实验研究,并分析了横向风对光束漂移的影响,得到了在不同时刻以及不同传输距离情况下光束漂移情况的实验结果。结果表明,光束随传输距离的增加,垂直和水平方向的漂移量逐渐趋于一致。

漂移对聚焦高斯光束闪烁影响的数值模拟

采用非自适应坐标变换对聚焦高斯光束在湍流大气中的传输进行了数值模拟,结果显示轴闪烁指数并没有出现如Rytov理论所预言的随初始光束半径的增大而明显减小的现象,其原因在于Rytov近似理论未考虑大尺度湍涡产生的漂移效应对闪烁的贡献。对比数值模拟结果与漂移理论结果以及相关实验结果,三者相吻合,表明未考虑漂移效应的Rytov近似理论不能完全准确地描述聚焦光束的闪烁特征,在研究聚焦光束的闪烁时,应当考虑漂移的影响。

大气闪烁对自适应光学校正的影响

激光在大气湍流中长距离近水平传输时,闪烁加强,限制了常规自适应光学的校正能力。数值研究了大气闪烁对自适应光学校正的影响,拟合得到了在Fresnel数一定时,Strehl比与Rytov方差的表达式,以及Rytov方差一定时,Strehl比与Fresnel数的表达式。结果表明,在Rytov方差较小时,纯相位校正Strehl比只与Rytov方差有关;随着Rytov方差的增加,Strehl比不仅与Rytov方差有关,还与Fresnel数有关,Fresnel数越大,校正Strehl比越大;大发射和接收孔径有利于提高校正Strehl比;在一定的Rytov方差下,Stregl比随Fresnel数增大而增加,逐步趋于饱和,达到纯相位校正的极限。

干旱地区大气光学特性对激光传输的影响分析（英文）

分析干旱地区近地面8.0m高度处的温度、湿度、折射率结构常数、大气压强和能见度等参数的每月日变化情况,获取大气消光系数与大气湍流的可能变化特征,在此基础上,讨论波长为1.06μm的激光在大气环境条件下传输距离为1 000m和3 000m的可能传输效果.结果表明:消光系数日变化起伏不大,各月的消光系数以冬季1月为最大,夏季7月最小,二者相差可达2倍,1 000m的平均透过率约是3 000m的1.16倍;冬季1月是湍流强度最弱的月份,春季4月和秋季10月是湍流较强的月份,3000m收到的湍流平均影响程度约是1 000m的1.95倍;从传输总体效果上来看夏季7月的21时左右传输效果最佳,不同传输距离的能量分布特性也不同.

湍流大气中高斯谢尔光束的波前位错

在Rytov近似下,通过引入短期统计平均位错位置的概念,研究了高斯谢尔光束通过近地面弱湍流大气传播时,波前圆形位错形成和位错位置与湍流大气起伏强度和传播距离等参数间的关系.基于湍流大气中平行和交叉双光束的简化近似传输模型,研究了湍流大气中传播高斯谢尔光束波前位错位置与大气湍流强度、传输距离等参数间的相关机制.在远小于光波位相起伏周期的条件下,分别得出了束径不同同轴双光束和交叉双光束传播情况下波前圆位错位置的湍流系综统计平均理论关系.所得结果表明,同轴平行光束干涉和交叉光束干涉所产生的光束波前位错受大气湍流强度、传输距离等参数调制的规律是不同的.

大气湍流对部分相干平顶高斯光束的影响

采用相屏近似处理方法对激光通过湍流大气的传输进行了数值模拟。从数值模拟的结果拟合出两个公式:一是通过湍流前后部分相干平顶高斯光束的束宽平方比随阶数、传输距离和湍流强度的变化关系式;一是通过湍流后的相干长度随初始光束相干长度、湍流相干长度的变化关系式。研究发现:部分相干平顶高斯光束分解为相互独立的厄米 高斯光束的叠加;相干性越差的光束受到湍流的影响程度就越小;湍流对光束传输的影响与光束自身相干特性对其传输的影响之间是不相关的。

腔镜热畸变对激光在大气中传输特性的影响

从虚共焦非稳定谐振腔的激光场出发,考虑谐振腔反射镜热畸变对光束的影响,利用快速傅里叶变换(FFT)研究激光光束在湍流大气中的传输特性。着重分析了反射镜热畸变对环形强化学氧碘激光在湍流大气中传输产生的影响,给出了在大气湍流影响下激光光束传输不同距离的强度分布。利用β参数和Strehl比来评价光束质量的特性,结果表明:随着传输距离的增加,光束能量向外扩展,最高能量减小,光束质量被大大地削弱;同时,在大气湍流较弱的情况下,热畸变对光束质量的影响比较明显。在大气条件相同的情况下,传输距离一定时,反射镜热畸变越大,光束质量越差。

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。