高斯波束地--空传播考虑大气湍流内尺度的闪烁指数分析

激光通信、跟踪、制导、雷达和高功率激光系统等研究均要考虑光波地-空路径传播大气湍流引起的闪烁.目前,主要对平面和球面波闪烁研究较多,对能更好表示激光束的高斯波束的闪烁研究还主要局限在水平视距传播.本文根据Andrews等给出的高斯波束视距传播考虑内尺度效应的闪烁指数模型,基于ITU-R推荐的C2n模型,分析计算考虑大气湍流内尺度效应的高斯波束地-空传播的闪烁指数,同时与平面、球面波和高斯波束视距路径的结果进行了比较.结果表明,无论是平面、球面还是波束波,地-空路径的闪烁指数都较地面视距传播的小;当波束半径W0≤0.001m时,其闪烁指数与球面波的一致,当W0≥0.1m时,与平面波一致,这与理论分析结果相同;在强湍流区,当W0≤0.05m时,波束波闪烁逐渐趋于球面波的结果,因此,在强湍流区,对于W0较小的激光,用球面波的闪烁指数可较好的近似其闪烁指数.     

关于斜程湍流大气中激光波束闪烁指数研究的综述

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,将水平均匀湍流介质情况下成立的修正Rytov方法扩展到斜程传输问题上,建立了激光高斯波束波从弱湍流区到强湍流区斜程路径考虑湍流内尺度和外尺度的闪烁指数统一模型,在大气结构常数为一定值时可退化到水平传输情况.数值计算分析了1.06μm、1.315μm、3.8μm和10.6μm等典型波长的波束闪烁特性,结果表明波长较短时,内尺度影响较大,且内尺度效应对闪烁的影响要大于外尺度效应,但在强起伏情况下,外尺度的影响也变得较为显著.     

斜程大气湍流中点目标回波的闪烁研究

为了研究随高度变化的大气湍流外尺度对斜程路径点目标回波闪烁指数的影响,基于修正Rytov方法,将斜程路径下双基系统及单基系统点目标回波的闪烁指数模型拓展至中度及强起伏湍流区域。该模型不仅包含内尺度因素,而且考虑了随高度变化的外尺度因素。数值模拟结果表明:当湍流起伏较弱时,外尺度对于闪烁指数的影响远小于内尺度;但当系统处于中度及强起伏湍流时,随高度变化的外尺度因素的影响作用明显,不可忽略。在激光通信、激光探测等系统中,可利用该研究结果对系统所处湍流区域引起的闪烁效应进行预测,以调整系统至最佳配置。     

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.     

激光大气传输特性的数值模拟

介绍了激光信号通过大气时的湍流谱模型,分析了考虑湍流内尺度条件下激光在大气中传输时的光强闪烁效应和光束展宽效应.探讨了基于修正Rytov方法的光强闪烁理论,主要是考虑湍流内尺度效应的条件下湍流内尺度、传输激光的波长以及大气结构常数对光强闪烁的影响.用MATLAB对其影响进行了数值模拟,并对结果进行了具体分析.结果表明:湍流内尺度对激光大气水平传输过程中的光强闪烁效应具有重要的影响,同时闪烁指数还随着传输激光的波长和大气结构常数等的变化而变化.     

湍流尺度对大气激光通信系统误码率的影响

介绍了采用多光束传输技术的激光通信系统模型,分析了考虑湍流内尺度条件下,大气湍流对系统误码率造成的影响.根据激光在大气湍流场中的传输方程和修正Rytov方法的光强闪烁理论,主要探讨了在考虑湍流内尺度效应的条件下,湍流内尺度、传输激光的波长以及大气折射率结构常数对系统误码率的影响.用MATLAB对其影响进行了数值模拟,并对结果进行了具体分析.结果表明:在中强起伏区,湍流内尺度对系统的误码率具有重要影响,在相同Rytov方差条件下,湍流内尺度越小,系统误码率越高;同时误码率还随着传输激光的波长以及大气折射率结构常数等的变化而变化.     

湍流外尺度对光闪烁孔径平滑的影响

基于包含湍流内、外尺度和高波数跃变的变形Andrews折射率谱从理论上分析了平面和球面波大气闪烁孔径平滑效应,得出了弱湍流起伏区无限平面波闪烁平滑因子解析关系和球面波孔径平滑因子内插关系.结果表明,在分析孔径平滑效应时应该考虑湍流外尺度的影响.作者采用变形Andrews折射率模型所得结果与采用Kolmogorov谱计算值间有明显差别.     

湍流大气中光波闪烁的计算及实验测量比较

采用修正Rytov方法和近似理论计算了球面波在湍流大气中传播的闪烁指数，并与实验结果进行了比较，发现在弱起伏和中等湍流起伏区修正Rytov解与实验结果符合得良好，而在饱和区采用考虑内尺度效应下的近似理论结果更符合实验结果。     

湍流尺度对高斯谢尔光束闪烁孔径平滑的影响

通过运用包含湍流内、外尺度因子的调制折射谱和波场交叉谱密度函数的互相干函数近似,研究了大气湍流内、外尺度对高斯谢尔光束闪烁孔径平滑的影响,得出了弱大气湍流起伏环境下包含大气湍流外尺度因素的高斯谢尔光束闪烁孔径平滑因子。结果表明,随着湍流外尺度的减小,孔径对高斯谢尔光束的大气闪烁平滑作用减小,湍流外尺度对不相干光闪烁孔径平滑作用的影响可以忽略。     

激光传输湍流大气的折射率起伏双尺度模型

运用Kolmogorov 1941串级湍流模型理论和近似①湍流大气中传输激光束的强度起伏可抽象为大尺度湍涡导致对小尺度湍涡产生强度起伏倍乘性再调制的双尺度过程;②分别由大尺度湍涡和小尺度湍涡产生的光闪烁相互统计独立;③在双尺度模型下,即使在湍流起伏饱和区,用于处理光闪烁的Rytov方法仍然适用.导出了包含湍流内外尺度因子的简化折射率起伏双尺度模型和湍流大气中传输平面波的闪烁孔径平滑因子.结果表明,有限湍流内、外尺度在0.5＜d＜3.5孔径区域增加了闪烁的孔径平滑作用.     

INNER AND OUTER SCALE EFFECTS ON SCINTILLATION INDEX FOR AN INFRARED LASER PROPAGATING ON EARTH-SPACE PATHS

The effects of the inner-and outer-scale of turbulent atmosphere on the scintillation index for an infrared laser beam propagating through atmospheric turbulence are discussed under the assumption that small-scale irradiance fluctuation is modulated by large-scale irradiance fluctuation on Earth-space paths. A model about the scintillation index with the inner-and outer-scale is developed. A numerical analysis is done by using this model. It is shown that the effect of the inner scale on scintillation index is larger than the outer scale effect for the lesser wavelength wave at visible and infrared band. From moderate to saturation regime, the inner scale effect becomes gradually small; however, the outer scale effect becomes gradually obvious. Under moderate to strong regime, therefore, the effects of the inner-and outer-scale on scintillation index must be considered for theoretical prediction scintillation of an infrared laser beam propagating through turbulent atmosphere on Earth-space paths.     

Analysis of Inner-Scale Effect on Atmosphere Scintillation for Infrared Laser Beam Propagating on Earth-Space Paths

On Earth-space paths, based on ITU-R C _n ² (h) model, by means of a modification of the Rytov method that incorporates an amplitude spatial frequency filter function under strong fluctuation conditions, considering atmospheric turbulence inner-scale, an expression is developed for the scintillation index of a visible or a near and middle infrared laser beam wave that is valid under moderate to strong irradiance fluctuations. The quantitative analyses of scintillation index are done by this analytic model for laser Gaussian collimated beam wave at visible or near and middle infrared wave band. The results agree with theoretic analysis scintillation. This scintillation model can be converted into a Gaussian beam wave model with finite inner-scale on horizontal sight paths of invariable C _n ².     

Study of Scintillation for Infrared Laser Beam Propagating in Atmospheric Turbulence on Earth-Space Paths

On earth-space paths, by applying a modification of the Rytov method that incorporates spatial frequency filter function under strong atmosphere fluctuation conditions, a tractable model is developed for the scintillation index of infrared laser Gaussian beam wave that is valid under moderate-to-strong irradiance fluctuations. At Infrared band, based on ITU-R C ² _n model, the scintillation indexes for collimation laser beam are predicted by this analytic model. The results agree with theoretic expected scintillation. This scintillation model can be converted into a plane or a sphere wave scintillation index model on earth-space paths, and also reduced to a Gaussian beam wave model on horizontal sight paths of invariable C ² _n.     

太赫兹波在Kolmogorov湍流大气中的水平传输特性研究

太赫兹的大气传输特性对太赫兹的空间应用非常重要.对太赫兹波在Kolmogorov湍流大气中的水平传输特性展开了研究.分析了太赫兹平面波在湍流大气中传输时其闪烁指数、饱和距离等参数随频率、空间传输距离和湍流强弱程度等因素的变化.以高斯波束为例,研究了太赫兹波束在湍流大气中传输时闪烁指数、束宽等参数随传输距离等物理量的演化规律.研究结果表明,在太赫兹波段,频率越高,闪烁指数越大,饱和距离就越小.总体上看,太赫兹波在大气中传输时受大气湍流的影响程度介于光波和微波之间;对于太赫兹大气通信和成像等短程应用,太赫兹波在湍流大气中传输时一般都处于弱起伏状态;但对于太赫兹雷达和遥感等应用,由于传输距离较远,可能会出现强起伏.     

有限湍流尺度对红外大气成像系统分辨率的影响

采用包含大气湍流内、外尺度的调制折射率谱函数分析了湍流尺度对Fried相干参数(大气相干直径)的影响,给出了Fried参数修正关系。结果表明大气湍流的内尺度对Fried相干参数影响不大,然而由于尺度为L0的大气湍流透镜和相干Fried湍涡的相互作用以及它们对传播光波的衍射作用,有限大气湍流外尺度“增大”了Fried大气相干直径。     

激光大气闪烁统计特征的研究进展

综述了复杂地形条件下激光大气闪烁效应的实验及理论研究结果,包括实验数据处理方法、闪烁概率分布的极大似然模型、闪烁频谱特征系统分析方法、小波变换频谱分析方法、光波起伏频谱与湍流谱的关系,以及闪烁的间歇性等统计特征．     

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%范围以内的波相位结构函数的精确渐近表达式。