湍流大气传输中跟踪抖动对远场影响的仿真研究

分析了跟踪抖动对湍流大气传输远场光斑的影响。基于麦克斯韦电磁场理论,采用大气相干长度对大气湍流进行描述,推导了发射光束因跟踪抖动导致光轴偏离的远场表达式。在此基础上,利用相位屏法模拟抖动引起的倾斜相位和大气折射率起伏引起的相位调制,并采用低频补偿的功率谱反演法对传输过程进行了数值仿真。分析了不同跟踪抖动、湍流强度条件下远场光斑质心脱靶量的变化,以及不同尺寸模拟目标的回波概率。分析结果表明,在传输距离为10 km时,强湍流造成的远场光斑脱靶量可达几十μrad;当跟踪抖动较大时,湍流强弱对脱靶量影响差别很小。最后,对一定尺寸的模拟目标,从探测回波概率的角度给出了发射系统跟踪抖动量的控制范围。     

湍流大气中随机相位光束阵列的斜程传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,理论上研究了具有随机相位的激光束阵列在湍流大气中的斜程传输特性。主要研究了湍流强度、占空比、传输高度和光束间的相位差对光束阵列平均光强的影响。研究结果表明:湍流会使合成光强减弱,光束扩展;同时,占空比越小,合成光场的峰值光强越小,即合成效果越差;随着光束间相位差的增大,主峰强度快速下降,最终合成光束近似于单束高斯光束模型。与水平传输时的结果进行了比较,结果显示大气湍流对斜程传输光束扩展的影响明显小于水平传输的情况。计算模型和结果为工程实际中合成方案的选择和评估提供了参考。     

相干合成光束在湍流大气中的传输

分析了湍流大气对相干合成光束传输的影响,根据广义惠更斯-菲涅耳原理,对相干合成光束在不同强度湍流大气中传输进行计算,对接收平面处的光强分布的统计特性,如桶中功率(PIB)曲线、局部功率曲线进行比较.研究结果表明,较弱的湍流大气对相干合成光束的传输影响较小,接收平面的光强分布以及PIB曲线基本不变;随着湍流强度的增大,相干合成光束的光强分布和PIB曲线产生显著变化,光斑扩展和能量的弥散速度加快,光束的能量集中度显著降低.计算了湍流大气传输后光束的空间相干度,认为空间相干度下降是降低相干合成效果的原因,对如何降低湍流大气的影响进行讨论.     

相位屏法模拟高斯阵列光束海洋湍流传输特性

基于功率谱反演法产生海洋湍流相位屏,对多次传输过程进行统计平均,仿真分析不同海洋湍流参量下不同高斯阵列光束(矩形分布、径向分布及单束)长曝光光斑半径、光斑质心漂移特性及光强闪烁特性。结果表明:光束长曝光光斑半径、光斑质心漂移标准差及轴上闪烁系数均随湍流效应(湍流强度或传输距离)的增强而增大;同时,阵列光束与单束高斯光的光斑半径趋于一致,当传输距离继续增大时,单束高斯光束长曝光光斑半径略大。相对于单束高斯光,阵列光束在相同湍流条件下具有更小的漂移标准差,但轴上闪烁系数较大。相对于大气湍流而言,海洋湍流具有较强的闪烁效应。     

贝塞尔高斯光束在各向异性湍流中的传输特性

采用随机相位屏仿真方法模拟了各向异性大气湍流及贝塞尔高斯涡旋光束在其中的强度分布、在轴闪烁指数和抖动效应,分析了各向异性湍流参数和波源参数对涡旋光束传输质量的影响.结果表明,在各向异性大气湍流中,贝塞尔高斯涡旋光束的强度分布随传输距离的变化情况与离轴距离有关,仅一级圆环处强度值单调递减,其余次级圆环处强度值均呈现先增后降的趋势.在近距离处,贝塞尔高斯涡旋光束的在轴闪烁指数随波形参数的增大而减小,随光束宽度的增大呈现先上升后下降再上升的趋势,该现象与贝塞尔高斯光束的光斑尺寸大小相关;其抖动效应随波形参数、拓扑荷数量、波长和束腰半径的增大而减弱.但在远距离处贝塞尔高斯涡旋光束的闪烁效应和抖动效应随波形参数的影响与近距离处相反,这与贝塞尔高斯光束的展宽突然增大的现象一致.贝塞尔高斯涡旋光束在各向异性湍流大气中的抖动效应小于在各向同性湍流大气中的情况,并且在远距离处大于拉盖尔高斯涡旋光束的抖动效应.     

高能激光环形光束近场和远场传输特性

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明:随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.     

列阵平顶光束大气传输的热晕效应

研究了热晕效应对相干合成和非相干合成的列阵平顶光束在大气中传输的影响。结果表明:当列阵平顶光束在大气中传输且存在横向风时,光斑呈月牙状;相干合成时,光斑内存在多个光强峰值;非相干合成时,光斑内始终保持一个峰值;相对于列阵平顶光束的相干合成,非相干合成受热晕的影响较小;光束阶数N越大的列阵平顶光束受热晕的影响越小,即相对于列阵平顶光束,列阵高斯光束(N=1)受热晕的影响更大;光束传输效率在自由空间中随着N的增大而减小,在大气中则随着N的增大而增大;在大气中且功率相同时,列阵平顶光束的传输效率优于列阵高斯光束的传输效率。     

非Kolmogorov大气湍流对径向部分相干阵列光束瑞利区间和湍流距离的影响

基于广义的Huygens-Fresnel原理和非Kolmogorov谱模型,推导了无线光通信系统中径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时瑞利区间z_R和湍流距离z_T的解析表达式,对瑞利区间和湍流距离随湍流参量和光束参量的变化情况进行了数值分析.结果表明:不论是相干还是非相干合成,径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束的z_R和z_T均随湍流广义指数α的增大非单调变化,当α=3.11时,z_R和z_T取最小值,此时阵列光束扩展最大;相干合成比非相干合成的光束扩展要小,但其受湍流的影响更大;对于相干合成而言,径向分布半径r0越大,合成光束的z_R和z_T就越大,而非相干合成的z_R和z_T不受r0的影响;不论是相干还是非相干合成,阵列子光束数目对合成光束的z_R和z_T没有影响;当光束相干参量β足够小或波长λ足够大时,大气湍流对阵列光束z_R的影响可以忽略.     

部分相干光束经过湍流大气传输研究进展

相较于相干光束,部分相干光束经过湍流大气传输能够有效地抑制湍流引起的光束展宽、光斑漂移及光强闪烁等扰动效应,在自由空间光通信、激光雷达和激光遥感等方面有重要的应用前景.近年来,部分相干光束湍流大气传输研究受到越来越多学者的关注.本文回顾了部分相干光束在湍流大气中传输特性研究的发展历程、理论基础及常用的理论方法,介绍了处理光束经过湍流大气传输的相位屏数值模拟方法,以及如何把该方法运用到处理部分相干光束传输.     

双曲余弦高斯列阵光束在湍流大气中的光束传输因子

本文推导出了双曲余弦高斯(ChG)列阵光束在湍流大气中的光束传输因子( M ^{2因子)的解析公式,并采用相对 M 2因子研究了湍流对 M 2因子的影响.研究表明,在湍流大气中 M 2因子不再是一个传输不变量,湍流使得 M 2因子增大.非相干合成情况下, M 2因子随着传输距离、光束参数、相对子光束间距和子光束数目的增大而增大.相干合成情况下, M 2因子随光束参数和相对子光束间距的增大呈现振荡上升.相干合成情况下的 M 2因子比 关键词： M2因子)')" href="#">光束传输因子(M2因子) 光束质量 双曲余弦高斯列阵光束 大气湍流}     

Propagation of phase-locked truncated Gaussian beam array in turbulent atmosphere

Truncation manipulation is a simple but effective way to improve the intensity distribution properties of the phase-locked Gaussian beam array at the receiving plane. In this paper, the analytical expression for the propagation of the phase-locked truncated Gaussian beam array in a turbulent atmosphere is obtained based on the extended Huygens--Fresnel principle. Power in the diffraction-limited bucket is introduced as the beam quality factor to evaluate the influence of different truncation parameters. The dependence of optimal truncation ratio on the number of beamlets, the intensity of turbulence, propagation distance and laser wavelength is calculated and discussed. It is revealed that the optimal truncation ratio is larger for the laser array that contains more lasers, and the optimal truncation ratio will shift to a larger value with an increase in propagation distance and decrease in intensity of atmosphere turbulence. The optimal truncation ratio is independent of laser wavelength.     

强度调制532 nm激光水下测距

激光水下探测在水下目标搜寻、资源勘探等领域具有重要的应用,而散射是激光水下探测面临的主要挑战.载波调制激光雷达具有抗散射、抗干扰的优点,本文利用自行研制的532 nm强度调制激光源,在3 m长的水箱中搭建激光水下探测系统. 532 nm激光源最大输出功率为2.56 W,强度调制范围为10.0 MHz—2.1 GHz,光束发散角约0.5 mrad.通过在水箱中添加氢氧化镁(Mg(OH)_2)粉末,测量了不同浑浊度下水的衰减系数.采用相位测距的方法,目标反射光的调制信号为探测信号,对激光源进行调制的电信号作为参考信号,利用相关运算获得激光的延时时间,进而可以获得水下目标的距离.最大调制频率为500 MHz时,实现了距离为4.3个衰减长度目标的探测,测距误差约12 cm.探测距离越远,测距误差越大,调制频率越高,测距精度越高.     

大气湍流和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展

介绍了大气湍流效应和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展。主要介绍了合成激光在大气中传输的解析和数值模拟研究方法,大气湍流效应对列阵合成光束的光强分布、远场发散角、方向性、曲率半径和湍流距离的影响,以及大气热晕效应对列阵合成光束的光强分布、传输效率、重心偏移、热晕时间尺度和焦移的影响。研究结果表明,大气湍流效应和热晕效应对合成激光光束质量的影响与光束合成方式、合成光束参数以及大气参数密切相关。     

激光光强扰动对相干场成像降质影响理论研究

激光相干场成像系统发射多束激光,经大气传输对远程目标成像,大气湍流引起的激光束光强扰动是影响成像质量的一个关键因素.本文从湍流引起的激光束光强扰动对回波解调信号的影响关系入手,建立了激光回波光强扰动因子对相位闭合系数和成像频谱分量的降质传函理论模型;基于三光束激光相干场成像系统仿真验证了理论模型的有效性.研究表明激光相干场成像频谱分量和成像像质主要受三光束相位闭合求解算法中第二光束光强扰动影响.该研究揭示了激光回波光强扰动对成像像质的影响机理,对于分析大气湍流等引起的光强扰动降质效应和合理分配多光束光强稳定性以提高成像质量具有理论指导意义.     

Propagation of a phase-locked circular dark hollow beams array in a turbulent atmosphere

The propagation of phase-locked circular dark hollow beams array in a turbulent atmosphere is studied. An analytical expression for the average intensity distribution at the receiving plane is obtained based on the extended Huygens-Fresnel principle. The effects of turbulence, dark parameter and beam order of the beams array on the intensity pattern are studied and analyzed. It is found that the intensity pattern of the phase-locked circular dark hollow beams array will evolve from a multiple-spot-pattern into a Gaussian beam spot under the isotropic influence of the turbulence. The intensity pattern of beam array with a larger dark parameter and beam order evolves into the Gaussian-shape faster with increasing propagation distance.     

Propagation of partially coherent partially phase-locked laser array in turbulent atmosphere

The mechanism for beam quality degradation in recently developed phase locking of high power solid state lasers, which is caused mainly by partially coherent property of element beam and partially phase locking of the laser array, is analyzed in detail. Analytical expression for propagation of partially coherent partially phase-locked laser array in turbulent atmosphere is obtained based on extended Huygens-Fresnel principle. The effect of coherence width, phase error and intensity of turbulence on the beam quality in the target-plane is studied in detail. The tolerance on phase error for laser array with different coherence property is analyzed. It is concluded that the laser array with better coherence is more sensitive to turbulence, and phase control can improve beam quality in the receiving plane only in the case when the element beam has good beam quality and propagates in weak turbulence.     

湍流大气中激光上行和下行传输时相位奇点的演化

利用激光大气传输四维程序数值模拟了激光在湍流大气中上行和下行传输时产生的相位奇点的变化过程。由模拟结果可知,当光束自地面向空中垂直上行传输时,相位奇点数密度随传输高度的变化有一个从无到有、从快速增加到缓慢增加、达到峰值后又减小的过程;湍流越强,畸变光场中产生的相位奇点数密度越大,达到的峰值越高,且达到峰值后减小的幅度也越大,但达到峰值时对应的传输高度越低;当激光自空中某一位置垂直下行传输时,相位奇点数密度随传输距离的增加有一个从无到有、从缓慢增加到快速增加且在接近地平面处急剧增加的过程。另外,通过对模拟结果的曲线拟合发现,激光在湍流大气中上行传输时产生的相位奇点数密度与传输高度的关系符合黑体辐射公式;当激光在湍流大气中下行传输时,相位奇点数密度随传输距离的增加呈指数增加。     

斜程大气中聚焦J0相关部分相干光束的传输特性

采用部分相干光交叉谱密度理论,给出了适用于任意大气湍流条件的斜程湍流大气传输J₀相关部分相干光束在接收面内的长期平均光强分布、光束长期扩展和质量因子的解析表达式,分析了天顶角、传输距离、光源相干性以及湍流外尺度对接收面光强分布特性和光束扩展的影响.研究结果表明：在天顶角和传输距离一定的条件下,通过选择合适的光源相干性可控制焦面光强为平顶分布或中心光强为最大;在传输距离给定的条件下,随着天顶角或大气湍流外尺度的增加,焦斑光强分布均由中央凹陷分布逐渐变为高斯分布.焦面附近光强的中央凹陷比焦面的中央凹陷浅.J₀相关部分相干光束实际焦斑位置随天顶角、湍流外尺度的增加以及相干性减弱而移向发射端. 关键词： 部分相干束 大气湍流 0相关')" href="#">J₀相关 斜程传输     

Intensity fluctuations of partially coherent laser beam arrays in?weak atmospheric turbulence

The intensity fluctuation of a partially coherent laser beam array is examined. For this purpose, the on-axis scintillation index at the receiver plane is analytically formulated via the extended Huygens–Fresnel diffraction integral in conditions of weak atmospheric turbulence. The effects of the propagation length, number of beamlets, radial distance, source size, wavelength of operation and coherence level on the scintillation index are investigated for a horizontal propagation path. It is found that, regardless of the number of beamlets, the scintillation index always rises with an increasing propagation length. If laser beam arrays become less coherent, the scintillation index begins to fall with growing source sizes. Given the same level of partial coherence, slightly less scintillations will occur when the radial distance of the beamlets from the origin is increased. At partial coherence levels, lower scintillations are observed for larger numbers of beamlets. Both for fully and partially coherent laser beam arrays, scintillations will drop on increasing wavelengths.     

利用激光引发的热透镜效应无损检测固体薄片中的深度缺陷

本文介绍利用激光引发固体薄片表面的热透镜效应无损检测固体薄片深层缺陷的理论分析和反射偏转法.面扫描信号通过计算机处理,以三维象或灰度象显示出深层缺陷,实验结果表明:缺陷的检测深度随泵浦光调制频率的增加而减少,利用相位信号,检测的深度比利用幅值信号的更深,和理论分析相一致.