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。     

斜程大气传输光束孔径平滑到达角与像点起伏

像面到达角起伏、波面抖动和像点抖动通常是研究大气干扰情况下高分辨成像系统波前特性的重要方法之一。采用Rytov近似、包含湍流内外尺度影响的修正von Karmam近似谱和接收光学系统孔径滤波函数和传输权重函数中的Airy函数的高斯函数近似,研究了斜程湍流大气中传输束状波的波面抖动、像面到达角起伏和像点抖动规律,导出了圆孔接收系统测量到的包含湍流内外尺度影响的束状波孔径平滑波面抖动、像点抖动和像面到达角方差理论模型。     

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.     

湍流大气传输光束的孔径平均到达角起伏

采用Rytov近似、包含湍流内外尺度影响的近似修正von Karmam谱和传输权重函数中的Airy函数的高斯函数近似,给出了平面波通过湍流大气圆孔接收孔径平均到达角方差解析关系。     

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.     

斜程湍流大气光通信信道的单光子轨道角动量

研究了基于单光子轨道角动量技术的量子光通信系统的大气湍流效应,动用Rytov近似和修正von Kamm折射率起伏谱,建立了单光子轨道角动量斜程湍流大气通信信道中轨道角动量l的测量概率理论模型。本文同时给出了量子信道的单光子轨道角动量平均值l=〈l〉的计算关系。     

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     

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.     

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。     

非均匀湍流路径下光束分层传输缩比实验研究

在非均匀湍流路径光束传输的研究中,设置合理的相位屏位置分布和数目尤为关键。在多层相位屏模型的基础上,建立了非均匀湍流路径下大气分层优化模型,结合两层相位屏的光束传输算例,在Hufnagel-Valley 5/7大气湍流廓线模型下,分别计算了相应的大气离散分层边界与相位屏的最优分布位置,并引入相应的最大Rytov判据。根据等菲涅耳数、等湍流效应和几何尺度缩比原则,计算了具体光束传输缩比实验参数,对比分析了光强起伏概率密度分布和相位结构函数的理论值与实验值。研究结果表明:不同天顶角下光强起伏概率密度分布实验拟合与理论曲线整体分布趋势一致,且呈现出对数正态分布的趋势;光强起伏的经验累积分布实验与理论曲线趋势保持一致,说明概率密度分布曲线拟合程度较好;而在所关注的低频区域,相位结构函数的实验曲线与理论曲线虽然存在一定的偏差,但其整体趋势仍然保持一致,且近似服从5/3幂律规律。     

Study on the Scintillation for Optical Wave Propagation in the Slant Path Through the Atmospheric Turbulence

Based on the theory of optical wave propagation in the slant path and the ITU-R turbulence structure constant model which is altitude dependent, the modified Rytov method, which is applicable to the optical wave propagation in the horizontal path, is extended to the propagation in the slant path. According to the spectrum model with non-zero inner scale, the scintillation index as a function of the Rytov variance is obtained from weak to strong fluctuation regions with plane wave and sphere wave incidence, respectively. Finally, the scintillation index with different zenith angles is analyzed, and comparison between the results of the modified method and experimental measurements is given and discussed in detail.     

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.     

海洋大气湍流对激光通信系统性能的影响分析

大气湍流引起光波强度在光束截面内的闪烁,降低了激光通信系统的信噪比.应用基于Rytov近似的激光大气传输光强起伏理论模型,在局地均匀各向同性Kolmogolov湍流谱的假设条件下,对大气湍流引起的光强起伏进行了分析.并从信号检测理论出发,将大气湍流与激光通信系统误码率指标相结合.分析结果表明,在典型的海洋大气湍流环境下,以误码率指标衡量,随着C2n的增加,激光通信系统的有效作用距离大大缩短,当C2n达到5×10-15m-2/3时,通信的有效距离不足2 km,当C2n达到3×10-14m-2/3时,通信的有效距离降至1 km以下.     

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.     

湍流大气对无线光通信影响分析及解决方案

分析了湍流大气光传输特性,讨论了光信号闪烁对宽带光无线通信误码率的影响及解决方案。从湍流大气的经典功率谱模型与修正功率谱模型出发,分析了Rytov指数与光场波长的变化关系,讨论了其对传输光场强度起伏的影响,以及分别在球面波与平面波时的差异。从实验上模拟考察了湍流大气对宽带光通信的影响,提出了一种新的从光链路上矫正波前畸变、减弱信号闪烁进而降低通信系统误码率的技术方案。该方案基于遗传算法和无模型盲优化的方式,以Zernike多项式系数为向量,对波前畸变进行编码,根据畸变波前的Zernike多项式的系数实现波前重构。其特点是没有预先测量波前相位畸变信息,而是采用施特列耳比作为遗传算法的适应度评判标准,通过优化达到最佳的波前畸变补偿效果。分析结果表明,该方案对中等强度以下的湍流大气光传输具有明显改善效果。     

Atmospheric Phase Error in Coherent Laser Radar

Coherent laser radar (ladar) deduces the shape, velocity and vibration of a remote target by measuring the round-trip optical phase or the Doppler shift of target-scattered light. Phase fluctuations from wind-driven atmospheric turbulence generate micro-Doppler or velocity error at mum/sec levels. The turbulence-induced noise spectra of all geometric phase components of the ladar, the average phase power spectral densities of arbitrary ladar receiver modes, and the resultant Doppler noise spectra, are derived in the Rytov approximation for any isotropic stationary turbulence, any wind velocity profile, any Fresnel number and any source illumination pattern. In Kolmogorov turbulence the piston phase noise spectrum, and the average phase shift over a time interval, are well-approximated by simple universal asymptotic forms dependent only on atmospheric coherence length, turbulence-weighted average wind speed Vmacr, and aperture size D. The spectrum slope changes at a critical frequency of order Vmacr/D. The approximate results do not depend on the usually-unknown outer scale of turbulence     

多孔径发射对大气激光通信系统误码率的影响

大气湍流所引起的光强闪烁会严重影响大气激光通信系统的性能,导致系统误码率（BER）增加。通过Rytov近似理论给出系统误码率和光强闪烁的理论模型．并进行MATLAB数值仿真。分析结果表明：在大气激光通信系统中,通过采取多孔径发射的方式,增加发射机孔径数目,选用长波长的激光,能够减小光强起伏对系统误码率的影响。而且,各发射机发出的光束之间的相干系数越小,越能改善系统性能,降低误码率。