湍流大气中激光传输波前扭曲规律研究

摘要

湍流大气折射率的随机起伏干扰并导致传输光波的波前和振幅的随机起伏，从而产生一系列严重影响传输光束的光束质量和工作在大气环境下诸如激光雷达、激光通信等光学系统性能的湍流效应，而描述大气湍流的折射率起伏的模型是许多湍流效应解析理论建立和实验数据分析的基础。　　本文首先在湍流大气对传播光波的调制为大尺度湍涡形成的光束随机抖动对小尺度湍涡散射产生的光强起伏的乘性再调制、大尺度湍涡与小尺度湍涡相互统计独立地调制传输光波和Rytov展开近似方法在双尺调制模型下直至强起伏大气区依然成立的三个近似假定基础上，建立了包含大气湍流内、外尺度效应的简化折射率谱密度函数。基于此湍谱，本文研究了湍流内、外尺度对大气中传播相干和高斯谢尔光束大气光闪烁孔径平滑作用，指出大气湍涡内外尺度、检测孔径尺度和光源波长都是影响闪烁孔径平滑的重要因素。同时指出，在弱湍流起伏环境下，湍流外尺度降低了高斯谢尔束的闪烁孔径平滑作用。分析了有限湍流内、外尺度对湍流大气中成像系统光学分辨率和Fried相干参数的影响，指出对于大孔径成像系统而言，湍流外尺度是影响成像系统积分分辨率的一个重要因子、有限大气湍流外尺度“增大”了Fried大气相干直径。　　其次，本文研究了湍流大气中传输高斯谢尔光束的位相起伏规律，得出包含湍流外尺度影响的高斯谢尔光束的波结构函数(WSF)解析理论关系和像面到达角起伏方差。从理论上证明了光源的随机起伏程度和传输光束的湍流扩展是影响高斯谢尔光束的位相起伏结构函数和成像光束的到达角起伏的重要因素。　　最后，本文在Rytov近似和通过引入短期平均位错的概念，理论上研究了平滑高斯谢尔双光束和奇异高斯双光束叠加干涉场的奇异特性和位错类型与传输光波束型间关系。建立了两类波束的波前位错位置的短期平均理论关系。

目录

文摘

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1湍流大气中光波传输波前畸变规律研究现状

1.1课题研究意义

1.2大气湍流折射率功率密度(湍谱)函数及特点

1.2.1折射率起伏及相关函数

1.2.2大气湍流描述

1.2.3大气湍流折射功率谱密度函数研究现状

1.3湍流大气中高斯谢尔光束传输规律研究现状

1.4湍流大气中光波的位相间歇(位错)形成与位错波传输研究现状

1.4.1标量波波前位错理论

1.4.2湍流大气中传输光波的位相间歇研究现状

1.5论文研究内容

2大气湍流折射率功率谱密度模型及应用

2.1大气湍流折射率功率谱密度模型

2.1.1研究背景

2.1.2简化湍谱模型

2.2湍流大气传输光波的波位相结构解析函数

2.2.1研究背景

2.2.2平面波振幅与位相的结构函数

3大气成像

3.1大气成像系统的积分分辨率

3.1.1研究背景

3.1.2光学传递函数和积分分辨率

3.1.3结论

3.2湍流尺度对大气相干直径的影响

3.2.1研究背景

3.2.2波结构函数

3.2.3数值计算

3.2.4结论

4孔径平滑因子

4.1研究背景

4.2湍流尺度对相干光束闪烁孔径平滑的影响

4.2.1平面波

4.2.2球面波

4.2.3讨论

4.3湍流尺度对高斯谢尔光束闪烁孔径平滑的影响

4.3.1高斯谢尔束

4.3.2高斯谢尔束的孔径平滑因子

4.3.3讨论与结论

5湍流大气传输高斯谢尔光束的波前到达角起伏

5.1研究背景

5.1.1极小光程

5.1.2到达角

5.1.3到达角起伏

5.2自由和湍流大气中传输高斯谢尔光束

5.2.1自由大气中传输高斯谢尔光束的交叉谱密度函数

5.2.2湍流大气中传输高斯谢尔光束的广义韦更斯—菲涅尔原理

5.2.3湍流大气中传输高斯谢尔束的交叉密度谱函数

5.3湍流大气中传输高斯谢尔束的到达角起伏

5.4结论

6湍流大气中传播高斯谢尔束波前位错研究

6.1研究背景

6.2理论模型

6.2.1复杂光学系统中传播的高斯谢尔光束

6.2.2波前线刃位错

6.2.3波前圆刃位错

6.3Cn2反演和位错波前位相的重构结论

6.4湍流大气中传输光束波前位错类型研究

6.4.1研究背景

6.4.2湍流大气环境下高斯光束的波前位错类型

6.4.3结论

7湍流大气中宿有光涡旋高斯光束的波前位错

7.1研究背景

7.2宿有光涡旋平行高斯光束传播

7.2.1束心弱偏离平行等束径双光束近轴传输

7.2.2束径不同双光束同轴传输

7.3结论

结论

致谢

攻读博士期间发表的论著

参考文献