激光在近地大气中水平传输特性研究

摘要

本文主要研究了激光在近地大气中传输的特性。论文首先介绍了基于广义Lorenz-Mie理论的单个球粒子对高斯波束的散射理论，给出了散射截面表达式。对强会聚窄束腰高斯波束的波束系数计算是高斯波束传输中关键问题，本论文利用区域近似方法对高斯波束入射时散射截面和不对称因子进行了系统的数值计算，在此基础上介绍了高斯波束入射时的蒙特卡罗方法，利用蒙特卡罗方法模拟了高斯波束入射时大气离散随机介质对其散射特性的影响，分析了束腰半径和波长对透过率和衰减的影响。计算表明，束腰宽度越大、透过率越小，衰减越大，即粒子对波束的散射越强。本论文还研究了激光波束在大气湍流中传输时对双频互相干函数特性的影响，及脉冲波通过湍流大气后脉冲形状的变化，分析了波束尺寸变化对互相干函数和对脉冲波形的影响。结果表明，湍流大气对波束的双频互相干函数影响的主要因素是大气结构常数，内尺度效应在适度湍流强度下也需要考虑，另外，波束宽度的改变也会对脉冲形状有较大的影响。最后简要介绍了激光在近地大气中传输特性可视化仿真软件，该仿真软件实现了激光在云、雾、气溶胶和湍流大气中传输时计算结果的动态可视化显示，为相关的科研工作提供方便的仿真工具。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章 绪论

1.1研究意义和背景

1.2国内外研究概况

1.3论文结构

第二章 离散随机介质对激光波束散射的基本理论

2.1引言

2.2高斯波束电磁场分量描述

2.2.1 Bromwich公式

2.2.2直角坐标系中高斯波束电磁场分量

2.2.3球坐标系中高斯波束电磁场分量

2.3均匀球粒子对高斯波束的散射

2.4蒙特卡罗方法

2.4.1概率模型

2.4.2光子输运过程模拟的跟踪

2.5本章小结

第三章激光波束在大气中传输时受离散随机介质影响研究

3.1引言

3.2波束因子的区域近似算法

3.3粒子消光截面的数值算法

3.4高斯波束入射时不对称因子的计算

3.5激光波束在雾中水平传输特性

3.5.1雾滴谱分布

3.5.2基于Mie理论的激光在雾中衰减分析

3.5.3激光波束在雾中水平传输特性蒙特卡罗模拟

3.6激光波束在云中水平传输特性分析

3.6.1水云谱分布

3.6.2激光波束在云中水平传输的特性蒙特卡罗模拟

3.7激光波束在气溶胶粒子中水平传输特性

3.7.1气溶胶谱分布

3.7.2激光波束在气溶胶中水平传输特性蒙特卡罗模拟

3.8降雨对激光的衰减

3.9本章小结

第四章激光脉冲波在湍流大气中的传输特性研究

4.1引言

4.2强湍流介质中光波传播的双频互相干函数理论分析

4.2.1大气湍流基本理论

4.2.2光波在湍流介质中传播的基本处理方法

4.2.3脉冲波在湍流大气中传播的双频互相干函数

4.3光波在湍流介质中的双频互相干函数数值分析

4.3.1脉冲波在强湍流中传播的振幅和相位计算

4.3.2脉冲形状分析

4.4本章小结

第五章激光大气传输散射特性的可视化软件

5.1引言

5.2仿真计算软件设计概要及控制界面

5.2.1仿真软件设计及界面

5.2.2软件的计算绘图

5.3本章结论

结束语

致谢

参考文献

作者在读期间的研究成果