阵列光束在湍流大气中的传输及目标散射回波特性

摘要

激光在大气信道中传输时由于受大气湍流的影响，使到达接收机端的光信号产生光束展宽、漂移、闪烁、到达角起伏等一系列湍流效应，严重制约了激光在空间激光通信、激光雷达、激光测距和激光遥感等方面的应用。研究表明部分相干光或阵列光束可有效降低大气湍流效应影响，因此，开展不同空间相干度的单束或阵列光束在湍流大气中的传输和目标散射特性研究具有重要意义和价值。本文基于广义Huygens-Fresnel原理和Rytov相位结构函数二次近似方法，研究了平顶高斯光束及几种阵列光束（高斯阵列光束、高斯-谢尔模阵列光束、电磁高斯-谢尔模阵列光束）在湍流大气中的传播特性，并结合Goodman提出的高斯随机粗糙表面散射简化模型，研究了高斯-谢尔模阵列光束经粗糙面和漫反射目标散射回波的二阶统计特性。主要研究内容包括以下几个方面:
　　1.根据斜程传输理论及ITU-R提出的大气折射率结构常数高度模型，将Rytov方法推广应用于非Kolmogorov湍流中的斜程传输问题研究，推导了平项高斯光束（Flattened Gaussian Beam，FGB）在斜程非Kolmogorov湍流大气中传输时的平均光强、二阶矩束宽与相对束宽以及弱起伏条件下的轴上闪烁指数表达式，数值分析了光源束腰大小、光束阶数、湍流广义指数、传输距离、传输天项角等参量对平顶高斯光束在斜程非Kolmogorov湍流大气中的传输变换特性的影响，并与高斯光束做了比较。
　　2.根据广义Huygens-Fresnel原理，基于大气湍流的非Kolmogorov谱，推导了高斯阵列光束在湍流大气中的二阶矩束宽表达式，并结合Rytov近似方法推导了其在弱湍流条件下的闪烁指数表达式，分析了径向半径、光束数目、广义指数及传输距离对高斯阵列光束在非Kolmogorov湍流中的扩展特性及轴上和离轴闪烁指数的影响。
　　3.利用Rytov相位结构函数二次近似和积分变换方法，推导了相干合成与非相干合成径向高斯-谢尔模(Gaussian Schell-Model，GSM)阵列光束的交叉谱密度函数表达式，研究了相干合成与非相干合成径向高斯-谢尔模阵列光束在湍流大气中的光束扩展和空间相干特性，并研究了非相干合成径向GSM阵列光束的光强闪烁特性。结果表明GSM阵列光束在非相干合成时比相干合成时的光束扩展、空间相干度及光强闪烁受湍流影响要小。
　　4.根据随机电磁光束的相干-偏振统一理论，推导了电磁高斯-谢尔模(Electromagnetic Gaussian Schell-Model，EGSM)阵列光束在非Kolmogorov湍流大气中的交叉谱密度矩阵（Cross Spectral Density Matrix，CSDM）单元表达式，研究了EGSM阵列光束在非Kolmogorov湍流大气中的平均光强、光束展宽、远场发散角、偏振度P、偏振方向角及椭偏率的传输变换特性。结果表明，当传输距离L较近时，光源初始参量（径向半径r0、两分量的相干长度σ0xx、σ0yy及振幅大小Ax、Ay等）对EGSM阵列光束的扩展和偏振特性起主导作用;当传输距离L较远时，湍流效应的影响逐渐超过光源参量的影响，并逐渐对光束扩展和偏振特性起主导作用，这与在自由空间中传输时的情况存在差异。
　　5.考虑水平双程湍流大气影响和相位扰动占优势的假设下，利用Goodman提出的高斯随机粗糙表面散射理论，推导了径向GSM阵列光束在双程湍流大气中经高斯粗糙表面后向散射到达接收面处的互相干函数，当lc→0时该函数可退化到漫反射目标时的情况。详细讨论了光源参量、目标特征及湍流效应对散射回波平均光强和空间相干性的影响。

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摘要

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符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1．1 选题缘由和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 湍流大气光传输国内外研究现状

1．2．2 阵列光束传输国内外研究现状

1．2．3 随机电磁光束传输国内外研究进展

1．2．4 湍流大气中目标回波特性国内外研究现状

1．3 论文结构安排及框架

1．4 论文创新点

第二章 湍流大气中光传播理论和方法

2．1 引言

2．2 大气湍流光学统计特性

2．2．1 大气折射率

2．2．2 大气折射率结构常数

2．2．3 大气湍流功率谱密度函数

2．3 湍流大气中的光场描述及研究方法

2．3．1 高斯光束模型

2．3．2 Rytov方法

2．3．3 广义Huygens-Fresnel原理

2．4 部分相干光的基本理论

2．4．1 空间-时间域

2．4．2 空间-频率域

2．4．3 典型的部分相干光束模型

2．5 随机电磁光束的相干-偏振统一理论

2．6 小结

第三章 斜程湍流大气中平顶高斯光束的传输特性

3．1 引言

3．2 斜程湍流大气中FGB的平均光强和相对束宽

3．2．1 归一化平均光强

3．2．2 相对束宽

3．3 斜程湍流大气中FGB的闪烁指数

3．3．1 理论推导

3．4 本章小结

第四章 湍流大气中高斯阵列光束的传输特性

4．1 引言

4．2 阵列光束描述

4．3 湍流大气中高斯阵列光束的光束扩展

4．3．1 理论推导

4．3．2 数值计算与分析

4．4 湍流大气中高斯阵列光束的光强闪烁

4．4．1 理论推导

4．4．2 数值计算与分析

4．5 本章小结

第五章 湍流大气中GSM阵列光束的传输特性

5．1 引言

5．2 湍流大气中径向GSM阵列光束的平均光强和空间相干度

5．2．1 湍流大气中径向GSM阵列光束的CSDF

5．2．3 湍流大气中径向GSM阵列光束的空间相干特性

5．3 湍流大气中非相干叠加径向GSM阵列光束的光强闪烁

5．3．1 理论推导

5．3．2 数值计算与分析

5．4 本章小结

第六章 湍流大气中EGSM阵列光束的传输特性

6．1 引言

6．2 EGSM阵列光束在湍流大气中的CSDM

6．3 湍流大气中EGSM阵列光束的光束扩展与远场发散角

6．3．1 理论推导

6．3．2 数值计算与分析

6．4 湍流大气中EGSM阵列光束的空间相干度与偏振特性

6．4．1 湍流大气中EGSM阵列光束的空间相干度

6．4．2 湍流大气中EGSM阵列光束的偏振特性

6．5 本章小结

第七章 湍流大气中GSM阵列光束目标散射回波特性

7．1 引言

7．2 随机粗糙表面光散射理论

7．2．1 高斯随机粗糙表面

7．2．2 随机粗糙表面光散射理论模型

7．2．3 湍流大气中粗糙面目标散射理论

7．3 湍流大气中GSM阵列光束漫射目标散射回波二阶统计特性

7．3．1 理论推导

7．3．2 散射回波平均光日虽

7．3．3 散射回波空间相干度

7．4 湍流大气中GSM阵列光束粗糙面散射回波二阶统计特性

7．4．1 理论推导

7．4．2 散射回波平均光强

7．4．3 散射回波空间相干度

7．5 本章小结

第八章 结论和展望

8．1 研究结论

8．2 研究展望

参考文献

致谢

作者简介