环状光束在大气湍流中沿斜程路径传输的闪烁特性和能量集中度的研究

摘要

大气湍流引起的光闪烁会导致信噪比降低和误码率上升，光闪烁严重地制约着自由空间光通信系统、遥感系统、成像系统等性能的发挥。大气湍流还会导致光束能量集中度降低，使得激光在大气湍流环境下的应用受到限制。激光通过环状光阑会产生环状光束，环状光阑存在于许多望远镜系统中，而激光卫星通信、自由空间光通信系统的发射和接收装置以及激光武器发射装置中都采用这种望远镜系统。此外，非稳腔产生的高功率激光通常也是环状光束。在激光通信、激光测距以及激光武器等应用中，不可避免地会遇到激光在大气湍流中沿斜程路径传输的情况。因此，研究环状光束在大气湍流中沿斜程路径传输的闪烁特性和能量集中度具有非常重要的意义。本论文的主要研究工作包括:
　　1.研究了环状光束在大气湍流中沿斜程路径（上行）传输的光束能量集中度。采用数值模拟的方法，选取相对二阶矩束宽wR,、β参数和能量斯特列尔比(SRE)作为湍流对光束能量集中度影响的评价参数，研究了斜程大气湍流对环状光束能量集中度的影响。研究发现:一般来说，大气湍流对厚的环状光束（遮拦比ε较小）能量集中度的影响大，对薄的环状光束（ε较大）影响小。然而，wR、β参数和SRE随ε的变化规律是非常不同的，即:wR随ε增加而单调减小，而β参数和SRE随ε增加呈非单调变化。β参数会出现一个最大值（对应厚的环状光束）和一个最小值（对应薄的环状光束），而环状光束的SRE仅存在一个最大值（对应薄的环状光束），即:大气湍流对按照给定桶中功率百分比定义的能量集中度与给定桶半径内所含能量定义的能量集中度的影响是不同的。β参数达到最大值和最小值，以及SRE达到最大值对应的环状光束遮拦比ε几乎与斜程传输的天顶角无关。β参数取最小值和SRE取最大值时表示环状光束能量集中度受湍流影响最小，在实际应用中可加以利用;而β参数取最大值时表示环状光束能量集中度受湍流影响最大，在实际应用中应避免。
　　另外，本论文还采用桶中功率为86.5％定义的环围功率束宽作为能量集中度的评价参数，研究了大气湍流对环状光束能量集中度的影响。研究表明:光束能量集中度随着遮拦比和天顶角的增大而变差，大气湍流对光束能量集中度的影响也随天顶角的增大而增大。但是，当遮拦比较大或较小时，湍流对光束能量集中度的影响随遮拦比增大而减小;当遮拦比中等大小时，湍流对光束能量集中度的影响几乎不随遮拦比而变化。研究发现:按照桶中功率不同百分比定义的环状光束能量集中度受大气湍流影响规律是不同的，这些结果对实际应用具有重要意义。
　　2.研究了环状光束在大气湍流中沿斜程路径（上行）传输的闪烁特性。研究发现了沿斜程路径传输不同与水平路径传输的新规律，即:当天顶角θ（传输路径与竖直方向的夹角）不大时，随传输距离的增大不会出现闪烁饱和效应。然而，当天顶角θ不大时，轴上光束闪烁指数会趋于一个渐近值，且这个渐进值随着θ增大而增大，并且与环状光束的遮拦比ε有关。另一方面，本论文还研究了环状光束与平顶光束轴上光束闪烁指数的关系，发现两者的关系随着天顶角θ的变化而变化。本论文对所得结果给出了合理的物理解释，所得结果对自由空间激光通信具有重要意义。
　　3.研究比较了环状光束在大气湍流中沿上行和下行路径的传输特性。研究发现:由于湍流折射率结构常数是高度的函数，上行与下行路径大气湍流对激光传输特性的影响是非常不同的。当天顶角θ不大时，无论遮拦比ε为多大，总是有σ2Iup＞σ2Idown，其中σ2Iup和σ2Idown分别代表上行和下行路径光束轴上闪烁指数。然而，当天项角θ足够大时，随着传输距离z的增加，σ2Idown与σ2Iup相接近，且随着ε的增大，二者相互交叠。此外，随着z的增大，当θ不大时σ2Iup趋于一个渐进值，但是σ2Idown则不会出现此现象。另一方面，下行传输时光束能量集中度比上行传输时的要好，下行与上行传输光束能量集中度的差别随着θ的增大或ε的减小而增大。此外，θ不大时，下行路径远场光强分布出现旁瓣，而上行路径则不会出现旁瓣。本论文所得结果对自由空间激光通信和激光武器的利用具有重要意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 激光在大气湍流中的传输特性

1．2．2 环状光束的传输特性

1．2．3 激光大气湍流传输的数值模拟方法

1．3 研究内容及各章节安排

第二章 理论基础

2．1 大气湍流

2．1．1 大气湍流简介

2．1．2 ITU-R湍流大气结构常数模型

2．1．3 大气湍流折射率起伏功率谱函数

2．2 激光大气湍流传输的数值模拟方法

2．3 光束质量评价参数

2．4 光束模型

2．4．1 平顶光束

2．4．2 环状光束

第三章 斜程大气湍流(上行)对环状光束的能量集中度影响的研究

3．1 光强分布

3．2 相对二阶矩束宽

3．3 β参数

3．4 能量Streh1比

3．5 环围功率束宽

3．6 结论

第四章 环状光束在大气湍流中斜程传输(上行)的闪烁特性研究

4．1 大气湍流结构常数

4．2 轴上闪烁指数

4．3 结论

第五章 环状光束在大气湍流中上行和下行传输特性的比较研究

5．1 大气湍流结构常数

5．2 光强分布

5．3 相对二阶矩束宽

5．4 桶中功率

5．5 轴上闪烁指数

5．6 结论

第六章 总结

6．1 主要结论

6．2 主要创新点

参考文献

致谢

在校期间的科研成果