激光在湍流大气中的传输特性和仿真研究

论述了大气光传输模型的必要性和重要性。其次,重点分析了湍流大气中的光传输模型。在现有模型的基础上对大气光传输进行了仿真,给出了接收光功率闪烁的曲线。     

基于液晶空间光调制器的波前畸变补偿研究

针对液晶空间光调制器控制单元数多,直接进行波前相位畸变补偿时计算量大的问题,将控制输入与描述波前畸变的Zernike多项式系数形成映射,极大地减小了优化维数,有效地提高了计算效率.引入单纯形算法,通过使设计的性能指标达到最优,得到最佳的Zernike多项式,实现了精确的波前畸变补偿.针对传统的单纯形算法易收敛于局部极点...     

非Kolmogorov大气湍流随机相位屏模拟

介绍了功率谱法、Zernike多项式法、分形法模拟生成非Kolmogorov湍流相位屏的过程,并利用这三种方法对符合非Kolmogorov统计特征的大气湍流相位屏进行了模拟。将不同方法得到的相位屏的相位结构函数与理论结构函数进行对比,分析了三种相位屏模拟方法的准确性和模拟速度。结果表明:添加次谐波和增加Zernike多项式阶数分别可以弥补功率谱法和Zernike多项式法生成的相位屏低频和高频不足的缺点,但导致模拟效率下降;分形法生成的湍流相位屏高频和低频都较为充足,且模拟效率较高;随着非Kolmogorov湍流谱幂率的增加,功率谱法所需要的次谐波级数增加,Zernike多项式法所需要的Zernike多项式的阶数减少,分形法生成的相位屏的精度更高。     

大气闪烁对无线激光通信效能的影响

由于大气湍流的存在,使激光信号在大气传输中产生振幅的随机起伏,称为大气闪烁。大气闪烁将引起激光通信误码率的增加。由光强起伏大小的统计规律和通信基本原理推导出了弱湍流条件下由光强闪烁引起的误码率计算公式,分别建立了地面水平链路和地-空斜向链路中的大气闪烁误码率模型,对模型进行了仿真,分析了湍流强弱、信号调制方式、链路距离、激光波长及地面发射仰角对闪烁误码率的影响,得到了闪烁误码率的变化规律。结果表明,通过合理选择信号调制方式、激光波长、站址位置及地面发射仰角等方式能够有效地降低大气闪烁误码率,提高通信可靠性。     

基于H-V模型和Zernike法的激光大气传输模拟

激光在大气传输时会受到大气湍流等因素的影响, 导致光束质量下降, 影响激光作用效能。针对功率谱反演法产生的相位屏在低频部分表现不足的情况, 利用H-V模型对白天和夜晚条件下的激光大气湍流效应进行建模, 采用Zernike算法来构造大气湍流相位屏。仿真结果与Kolmogonov 统计规律符合, 结果显示Zernike算法可以对低频部分很好模拟, 随着阶数的提高, 高频部分也能较好体现。针对美国ABL系统和ATL系统参数对强激光束的大气传输湍流。畸变波前进行仿真分析, 得出ATL系统湍流相位屏最大PV值约为3.5λ, ABL系统湍流相位屏最大PV值约为7.5λ。研究结果能够对强激光自适应光学系统的技术指标分析提供指导。     

大气湍流下轨道角动量复用态串扰分析

以加载QPSK调制信号的轨道角动量（OAM）光束为传输载波,以多个相位屏模拟大气湍流,研究不同大气湍流强度下OAM复用态的串扰情况。通过对复用光束光强和相位研究,得出在OAM复用态光强受到湍流影响时会发生明显的闪烁现象,光功率分散,相位发生旋转弯曲,且湍流强度越大,受到的影响越大。选用螺旋谱分析不同湍流强度下各OAM复用态之间的弥散程度,当大气湍流强度增加时,OAM态之间的弥散程度增加,且较强湍流会导致OAM复用态失真。同时,考虑OAM复用态之间的模式串扰以及每路携带信息的OAM态因大气信道引起的混合噪声而造成的码间干扰,对比研究了不同大气湍流强度下系统误码率随传输距离的变化,结果表明:系统误码率随传输距离的增长而增大,强湍流之下光束误码率会随着传输距离增长到一定程度后趋于平稳,弱湍流之下光束误码率会随着传输距离的增长而增大。     

湍流强度对大气传输光束的相位特性及其相位校正物理极限的影响

运用相位屏近似法计算模拟了激光束通过大气湍流的光场分布。从高频相位比例和相位不连续点数目等角度对畸变光束的相位特性进行了分析,进而利用考虑到变形镜驱动器间交联耦合的高通滤波方法模拟自适应系统对畸变波前的校正作用,建立了畸变光束的相位校正物理极限的预估模型,定量分析了湍流强度和传输距离对校正极限的影响。研究结果表明:在一定范围内,随着湍流强度的增强及传输距离的增大,畸变波前中高频相位比例明显增加,相位不连续点数目也逐渐增多;激光束通过大气湍流后,其相位校正的效果主要受畸变光束连续相位中的高频相位比例以及相位不连续点数目的共同影响,畸变波前中高频相位比例越大,相位不连续点的数目越多,相位校正效果也越差。     

基于分段随机扰动幅值的随机并行梯度下降算法研究

为了提高随机并行梯度下降(SPGD)算法的收敛速度,提出了分段随机扰动幅值的改进方法。从理论上分析了固定增益系数时,随机扰动幅值对SPGD算法收敛速度的影响;提出了分段随机扰动幅值的改进方法;基于61单元变形镜,建立无波前探测自适应光学系统模型,对前65阶Zernike多项式模拟的满足Kolmogorov谱的大气湍流畸变波前进行校正。结果表明,采用分段随机扰动幅值的SPGD算法比固定最佳随机扰动幅值时传统SPGD算法的收敛速度提高了近1.6倍,证明了该改进算法的可行性。     

大气湍流模拟装置性能测试

利用光传输实验的大气湍流模拟装置测量了光传输特性。实验中采用了到达角起伏和光强闪烁两种方法来测试光传输特性。测试结果表明,温差1~200 ℃时,Fried相干长度为0.7~40 cm;温差200℃时,到达角起伏谱频率范围达到100 Hz;光强闪烁强度频率可达100 Hz,湍流特征速度约0.1 m/s,,外尺度约20 cm。湍流模拟装置所测的性能指标和实际大气湍流性能较为接近,并且湍流强度具有较好的稳定性和可控性,能满足光传输实验要求。     

基于Zernike多项式大气湍流条件下光纤耦合效率的数值分析

目前,对光纤耦合效率的数值模拟方面的研究较少,并且主要是运用功率谱反演法即傅里叶变换法进行数值模拟,介绍了大气湍流对激光光束传播的影响,然后采用Zernike多项式法对光纤耦合效率进行模拟研究,这种方法对于后续的波前重构和自适应光学系统闭环控制而言,物理概念更清晰,可以选择特定的光学像差进行波前的重构和控制,计算方法较简单。     

湍流大气外尺度对波束地-空传播闪烁影响研究

根据在中度和强湍流大气条件下引入空间频率滤波函数的修正Rytov方法,从理论上给出了地-空斜程路径上从弱到强起伏下包含湍流内、外尺度效应的激光高斯波束闪烁指数模型.该模型在相应的条件下分别可转变为波束波水平视距路径传播的闪烁模型和平面、球面波的闪烁指数模型.应用该模型,分析了湍流内、外尺度对波束波地-空路径传播时闪烁指数的影响.结果表明,在中度起伏条件下,内尺度对闪烁的影响是相当显著的,而外尺度的影响较小;从中到强起伏区,随着湍流强度的增加或传播距离的增加,外尺度影响逐渐的增大;在强起伏区,外尺度的影响已达到与内尺度影响具有同样的程度.因此,对于光波束在较强湍流中传播或在大气中传播路径较长时,对光波束闪烁预测不但要考虑内尺度效应,而且也要考虑外尺度效应.     

弱湍流大气传输广义Helmholtz-Gauss光束

在Rvtov近似和采用Tatarskii湍流大气折射率起伏谱条件下,运用实数和复数矩阵元的ABCD矩阵研究了湍流大气中广义Helmholtz-Gauss束的传输规律,研究表明广义Hellmholtz-Gauss束的横向波数与高斯束传输参量q的积在弱湍流大气传输过程中保持不变。导出了湍流大气中传输广义Helmholtz-Gauss束的平均光强。     

涡旋光束的自适应光学波前校正技术

涡旋光束是一种具有螺旋波前的光束，其特点是其光强分布为环形，携带有与螺旋波前结构相关的轨道角动量。由于涡旋光束的角量子数可取任意整数，同时不同角量子数的光束之间相互正交，因此可提高光通信系统的信道容量。但涡旋光束在自由空间传输时会受到大气湍流的影响，进而产生波前畸变，因此需要采用自适应波前校正技术对畸变后的光束进行校正。文中对现有的涡旋光束波前校正技术进行了概述，重点介绍了笔者课题组提出的应用GS相位恢复算法和高斯光束探针相结合对涡旋光束波前畸变校正的技术及应用SPGD算法和泽尼克多项式对涡旋光束波前畸变校正的研究工作。     

部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中的平均强度与展宽

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,交叉密度函数以及Rytov’s相位结构函数二次近似,利用傅里叶高斯变换推导出部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中的强度分布表达式,并在此基础上分析了大气湍流对角展宽、桶中功率以及光束漂移的影响。数值结果表明：角展宽和光束漂移与光束的初始半径、光源的相干长度有关;远场能量集中度随湍流强度增加、光源相干宽度减小而减小。     

湍流大气中高斯谢尔光束波前长期线刃位错

采用Rytov近似和位错位置的长期统计平均的方法，研究了高斯谢尔光束通过近地面湍流大气传播时波前刃位错位置与湍流大气强度和传播距离等参数的关系。研究并得出了长期曝光平均条件下波前刃位错位置的湍流系综统计平均理论关系，同时得出了光束短期平均刃位错位置表达式。     

湍流大气中高斯光束波前刃位错

在Rytov近似下 ,通过引入统计平均位错的概念研究了高斯光束通过近地面湍流大气传播时波前刃位错位置与湍流大气强度和传播距离等参数的关系。分别在远大于和远小于光波位相起伏周期的两种情况下 ,研究并得出了波前刃位错位置的湍流系综统计平均理论关系     

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.     

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.     

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.     

Effects of light propagation in middle intensity atmospheric turbulence

The purpose of this report is to present an experimental study of the effects of light propagation through atmospheric turbulence.Free space optical communication is a line-of-sight technology that transmits a modulated beam of visible light through the atmosphere for broadband communication.The fundamental limitations of free space optical communications arise from the environment through which it propagates.However these systems are vulnerable to atmospheric turbulence, such as attenuation and scintillation, Scintillation is due to the air index variation under the temperature effects.These factors cause an attenuated receiver signal and lead to higher bit error rate (BER).An experiment of laser propagation was carried out to characterize the light intensity through turbulent air in the laboratory environment.The experimental results agree with the calculation based on Rytov for the case of weak to intermediate turbulence.Also, we show the characteristics of irradiance scintillation, intensity distribution and atmospheric turbulence strength.By means of laboratory simulated turbulence, the turbulence box is constructed with the following measurements: 0.5 m wide, 2m long and 0.5m high.The simulation box consists of three electric heaters and is well described for understanding the experimental set up.The fans and heaters are used to increase the homogeneity of turbulence and to create different scintillation indices.The received intensity scintillation and atmosphere turbulence strength were obtained and the variation of refractive index, with its corresponding structure parameter, is calculated from the experimental results.