部分相干光在大气湍流中的光强分布与光束扩展

摘要

激光在大气中传输时，受湍流的影响，光束在接收面上的强度变弱，同时出现光束展、角扩展等效应，这效应严重影响着激光通信、跟踪及成像等系统的性能。另一方面，实际的激光器所输出的光束一般都是部分相干的。因此，研究大气湍流对部分相干光传输特性的影响，具有重要的理论意义和实际意义。本文主要研究了部分相干光在大气湍流中沿水平和斜程路径传输时的光强分布和扩展情况。主要工作如下：
　　1．基于广义惠更新-菲涅尔原理、交叉谱密度函数，利用修正Von Karmon谱模型以及ITU-R颁却的大气折射率结构模型．以部分相干高斯-谢尔光束为模型，推导出光束在大气湍流和自由空间中传输时的光强分布表达式。
　　2．根据推导出的光强分分布公式，对比了部分相干光和完全相干光在大气端流和自由空间中传输时的光强分布情况，讨论了光束沿水平和斜程路径传输时光束光强受端流影响的大小，分析了斜程和水平传辅时天顶角、湍流项参数以及光束自身参数对光束光强的影响，同时给予相应的物理解释。
　　3．根据光束扩展和角扩展的定义式，进一步推导出光束在大气端流中传输时的光束扩展及角扩展表达式，讨论了光束在不同传输路径下扩展系数受湍流影响的大小，系统分析了斜程和水平传输时天顶角、湍流项参数及光束自身参数对光束扩展及角扩展的影响。
　　结果表明：部分相干光在大气湍流中传输时的抗湍流特性要强于完相干光；部分相干高斯-谢尔光束在自由空间中水平传输时的归一化光强同斜程传输时的归一化光强分布相同；当天顶角小于π/4时，光束在斜程传辅时的光束扩展和角扩展景接近于垂直传输，所受湍流影响很小；当传输距离大于1km时，光束束宽和相对束宽随传输距离的增加而明增加，而角扩展和相对角扩展在传输距离小于1 km时增加速度较快。

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目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 论文结构

2 大气湍流理论

2.1 湍流场

2.2 大气结构常数

2.3 大气湍流折射率起伏谱模型

2.4 小结

3 部分相干光的基础理论

3.1 部分相干光基本理论

3.2 部分相干光的研究方法

3.3 小结

4 部分相干GSM光束在大气湍流中的光强分布

4.1 光束在大气湍流中的传输

4.2 光束在大气湍流中的光强分布

4.3 部分相干GSM光与完全相干GSM光的光强分布对比

4.4 数值计算分析

4.5 小结

5 部分相干GSM光束在大气湍流中的光束扩展

5.1 光束扩展

5.2光束在大气湍流中的光束扩展

5.3 数值计算分析

5.4 小结

6 全文总结

6.1 总结

6.2 不足与改进

致谢

参考文献

附录