湍流大气中部分相干激光波束传输及目标回波特性

摘要

随着空间光通信和激光雷达的发展，湍流大气中的激光传输与目标散射特性在航空、目标探测、激光测距、遥感等方面有重要的应用。本文主要利用广义惠更斯-菲涅尔原理，Kolmogorov折射谱模型及相位结构函数的二次近似，研究部分相干激光波束通过湍流大气的传输及目标散射特性的二阶统计特征。主要成果如下：
　　1、根据广义惠更斯-菲涅尔原理和部分相干光的交叉谱密度函数，推导了湍流大气中部分相干高斯-谢尔(GSM)波束的平均强度、光束展宽、桶中功率以及波束漂移表达式。数值分析了弱湍流大气中阵列孔径接收的孔径平滑因子和强度方差，部分相干高斯-谢尔脉冲(GSMP)波束的平均光谱强度，以及窄带脉冲的时间平均强度及时间展宽。
　　2、基于广义惠更斯-菲涅耳原理和相位扰动占优假设，在单程传输理论基础上，推导湍流大气中部分相干光入射完全漫反射目标，经目标散射后在接收平面的平均强度、协方差、时延协方差、功率谱密度及散斑尺寸表达式。考虑前向湍流和后向湍流的相关条件下，推导了GSM光束通过弱湍流大气的后向散射强度离轴增强因子，研究了后向散射强度增强因子与波源相干长度、波长、目标尺寸及湍流强度变化规律，并且可以退化为平面波和球面波情况。
　　3、考虑发射机到目标和目标到接收机双程湍流大气相互影响下，导出了部分相干高斯-谢尔光束通过任意高斯分布粗糙目标散射强度统计特性的通用表达式，在一定条件可以退化为光滑和完全漫反射。在前后传输湍流大气互不相关下，推导了在接收机处的互相干函数、平均强度以及波前相干长度表达式。数值分析了接收面的平均强度与目标表面粗糙度依赖关系，以及不同湍流强度下波前相干长度与表面粗糙度、传播距离和波源相干度变化规律。
　　4、基于广义惠更斯-菲涅尔原理，以及相位扰动占优假设，研究了双程湍流大气中完全漫射目标散射后高斯脉冲波束的双频双点互相干函数，其结果可以退化为双点单频、单点双频的互相干函数以及单点单频自相干函数；分析脉冲波束经高斯粗糙面散射的双频复相干度因子随频差的变化，随着粗糙面均方根的增加，相干带宽逐渐减小，相应脉冲展宽变大，粗糙面的相关长度对相干带宽影响不大。
　　5、推导了湍流大气中不同类型(完全漫射目标、光滑目标、微粗糙面)目标的反射光经湍流大气传输后被透镜会聚在探测器表面的平均强度和信噪比表达式，数值仿真了目标的性质、尺寸、湍流的强度、透镜的大小影响探测器表面的平均强度和信噪比。目标越粗糙，探测器表面的平均强度越小。透镜尺寸对漫射目标和光滑目标的信噪比影响相反，其它参数对信噪比的影响趋势一致。

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缩略语对照

第一章 绪论

1.1 选题缘由和意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3 论文主要内容及结构

1.4 论文创新点

第二章 光在湍流大气中的传输理论

2.1 引言

2.2 各向同性随机场和湍流谱

2.3 湍流介质中的波动方程

2.4 湍流中的复相位扰动

2.5 本章小结

第三章 湍流大气中GSM光束的传输特性

3.1 引言

3.2 湍流大气中的平均强度

3.3 湍流大气中GSM光束的展宽和漂移效应

3.4 湍流大气中GSM光束的孔径平滑

3.5 本章小结

第四章 GSM波束通过湍流大气漫射目标的散射特性

4.1 引言

4.2 理论公式

4.3 双程湍流大气互不相关的目标散射特性

4.4 双程湍流大气耦合的目标散射特性

4.5 本章小结

第五章 湍流大气中高斯粗糙面的回波二阶统计特性

5.1 引言

5.2 BRDF与粗糙面关系

5.3 回程湍流中目标的散斑尺寸

5.4 双程湍流中目标的波前相干长度

5.5 本章小结

第六章 湍流大气中脉冲波束传输及目标的散射特性

6.1 引言

6.2 湍流大气中GSMP波束的平均强度和时间展宽

6.3 双程湍流大气漫射目标的散射特性

6.4 回程湍流大气高斯粗糙面的散射特性

6.5本章小结

第七章 湍流大气对探测器表面平均强度和信噪比的影响

7.1 引言

7.2 探测器表面的平均强度理论模型

7.3 湍流对目标信噪比的影响

7.4本章小结

第八章 总结及展望

8.1研究结论

8.2研究展望

参考文献

致谢

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