湍流大气

摘要： 根据广义Huygens-Fresnel原理,推导了von Karman湍流谱条件下激光回波复相干度的理论解析式;基于湍流相位屏分步传输算法和随机粗糙目标表面模型,实现了激光回波光场的仿真计算.首先通过镜面反射回波光场的仿真分析,验证了算法的正确性;然后基于1.1 km的均匀传输路径,综合分析了随机粗糙目标表面特性和路径湍流强度对回波光场复相干度的影响.结果表明:回波光场的空间相干性随目标表面高度均方根的增大而降低,随目标表面相关长度的减小而降低;当表面相关长度远小于大气相干长度时,回波相干性会被严重破坏.该研究可为目标表面特性或利用已知表面获取路径湍流状态的相干探测提供有益的参考.

摘要： 基于广义惠更斯-菲涅尔原理,根据Rytov相位结构函数的二次近似,推导了湍流大气中漫射目标探测器表面的平均强度和信噪比的解析表达式.给出不同类型尺寸的漫射目标散射波经湍流大气传输在探测器表面的平均强度和信噪比,数值分析了不同目标尺寸、湍流强度、透镜大小对探测器表面平均强度和信噪比的影响.目标尺寸和透镜尺寸越大,信噪比越大;相反地,湍流越大,信噪比越小.

摘要： 偏振是激光通信中保密编码的重要参数,研究斜程湍流大气中的偏振特性对激光通信具有重要意义.利用广义惠? 更斯-菲涅尔原理和偏振-相干统一理论,推导了无衍射的部分相干艾里高斯光束在斜程湍流大气传输中的偏振度解析式,详细研究了湍流参数、相干长度、天顶角、截断因子和分布因子对偏振度的影响.研究结果表明:与水平湍流相比,光束在斜程湍流下恢复到初始偏振需要更长的传输距离.天顶角、接收高度、截断因子、分布因子越大和相干长度越小,光束偏振度峰值也越大.高相干性的高斯光束比艾里光束更易于保持偏振度不变.无衍射艾里光束中选取合适的光学参数更有利于信息传输与编码,本文结果对激光大气通信领域有着潜在的应用价值.

摘要： 光纤激光相干合成是获得高功率高光束质量输出较为有效的途径,而湍流大气是制约其应用与发展的关键因素之一.本文重点研究了大气格林伍德频率对基于随机并行梯度下降算法(SPGD)相干合成系统校正效果的影响.首先,在静态大气条件下,分析了不同湍流强度对相干合成系统校正效果的影响;然后,利用数值计算生成一组旋转的符合Kolmogorov统计规律的相位屏模拟湍流大气,对在不同大气格林伍德频率下相干合成系统的校正效果进行研究;最后,搭建两路光纤激光相干合成实验平台,进行实验验证.仿真和实验结果表明,在系统的控制算法迭代频率(350 Hz)一定时,随着大气格林伍德频率的增加,湍流大气对光束的相位和光强的扰动加剧,使得相干合成系统的合成效果变得越来越差.

摘要： 介绍了激光光束经过湍流大气以及散射介质的传输特性。当激光在湍流大气中传输时,湍流大气的扰动会影响光束的传输特性。此时,激光光束仍然保持光束的特性,因此可以应用扩展的Huygens-Fresnel衍射积分研究激光在湍流大气中的传输特性。研究表明,当光束在湍流大气中传输时,光束的光斑大小、偏振态、空间相干度、闪烁因子等参数发生了变化。这些参数的变化除了与大气湍流性质有关外,还与光束的特性有关。因此选择合适的入射光束可以减低湍流大气对光束传输的影响。当相干激光经过散射介质后,会呈现散斑。通过调控入射激光的波前,可以使得激光经过散射介质后聚焦。介绍了实现激光经过散射介质聚焦的技术,包括基于迭代反馈的波前整形技术、传输矩阵,以及数字相位共轭技术等。最后,展望这些技术应用于激光在实际大气中的传输,实现激光穿云透雾的目标。

摘要： 为研究不同气象条件下近地面层湍流大气对光传输到达角起伏的影响,在校园内一块较平坦草地上开展了光传输实验。采用半导体激光器作为光源,传输60 m至接收端,使用焦距为1.300 mm的望远镜接收后由CCD相机采集光点灰度图片。根据灰度图片上光点位置计算传输路径上的大气湍流折射结构常数C_n^2以及垂直、水平两个方向到达角(Angle of arrival,AoA)起伏方差的比值。同时测量了传输路径附近的温度、风速等气象数据,计算稳定度参数Richardson数。结果表明,Richardson数大于临界值0.25时,垂直、水平到达角起伏方差比值均大于1.0;Richardson数小于0.25时,垂直、水平到达角起伏方差比值在1.0左右起伏。由此可以看到,稳定层结条件下,湍流表现为各向异性特征;不稳定层结条件下,湍流表现为各向同性特征。

摘要： In order to obtain more characteristic information of optical targets and achieve the goal of target recognition,the scintillation of target echo was considered as one of the means of target recognition by utilizing the difference of modulation characteristics of different target echoes in turbulent atmosphere.The random phase screen was used to generate round trip atmospheric turbulence by power spectrum inversion,using hard edged apertures to expand into finite series sum forms and Collins diffraction integral formula,the complex amplitude distribution of the reflected light of comer reflector,lens and reflector of Lambertian diffuse target was derived.The influence of turbulence intensity and target size on the scintillation index of the three target echoes was analyzed and verified by experiments.The results show that the scintillation index of optical target and diffuse reflection echo have obvious differences,the overall difference is an order of magnitude.With the increase of diameter,optical target echo scintillation index shows a decreasing trend on the whole;The scintillation index of corner reflector and lens target echoes in the numerical difference is not obvious,but the method of plotting the echo scintillation index over time by multiple test results can be used to distinguish the two roughly.This method can quickly identify the optical target from the diffuse background,and also provide a reference value for the classification and recognition of the optical object.%为获取光学目标更多的特征信息、达到目标识别的目的,文中利用不同目标回波特征受到湍流大气调制作用的差异性,将目标回波的闪烁效应作为目标识别的手段之一.采用功率谱反演法生成随机相位屏模拟双程湍流大气扰动,利用硬边光阑展开为有限级数和的形式以及Collins衍射积分公式推导角反射器、镜头目标和朗伯漫反射体的反射光的复振幅分布,通过原路返回处的光强分布得到反射光的闪烁指数.分析了湍流强度和目标尺寸对上述三种目标回波的闪烁指数的影响,并进行了实验验证.研究结果表明:光学目标与漫反射目标回波的闪烁指数差别明显,整体相差一个数量级,随着口径的增大,光学目标回波闪烁指数整体上呈现减小的趋势;角反射器和镜头目标回波的闪烁指数在数值上差别不明显,但可以通过多组测试结果绘制回波闪烁指数随时间的变化曲线的方法将二者进行大致的区分.该方法可以快速地从漫反射背景中识别出光学目标,同时也为光学目标的分类识别提供了参考价值.

摘要： 《湍流大气中激光能量输运的相关问题研究》是物理与电子工程学院季小玲教授于2011年获得立项的国家自然科学基金面上项目,项目编号为61178070。能源和环保问题是人类今后将面临的两大严峻问题。地球之外有丰富的太阳能,利用激光辐射把转换的太阳能输运到地面上是一个全球性的再生能源新概念。之前的工作仅限于提出了利用自聚焦效应可减少对发射器和接收器尺寸的要求,将强激光束从空间轨道输运到地面。然而,对于强激光的大气传输,光束畸变以及大气非均匀湍流等因素对光束质量的影响是十分显著的。

摘要： 基于广义惠更斯-菲涅尔原理，推导出部分相干高斯-谢尔(GSM)光束在湍流大气中水平传输时的交叉谱密度函数表达式。得到部分相干高斯-谢尔光束的有效波束半径、平均强度的表达式，给出数值分析结果，并与完全相干光束作了比较。结果表明：在一定条件下，部分相干光束受湍流的影响要小于完全相干光束。另外，讨论了波束相干度、大气折射率结构常数、视距传输距离、离轴半径和束腰半径对光束闪烁指数的影响。

摘要： 本文分析了湍流大气光传输特性,讨论了光信号闪烁对宽带光无线通信误码率的影响及解决方案,提出了一种新的从光链路上矫正波前畸变,减弱信号闪烁、进而降低通信系统误码率的技术方案。该方案基于遗传算法和无模型盲优化的方式,以Zernike多项式系数为向量,对波前畸变进行编码,根据畸变波前的Zernike多项式的系数实现波前重构.其特点是没有预先测量波前相位畸变信息,而是采用施特列耳比作为遗传算法的适应度评判标准,通过优化达到最佳的波前畸变补偿效果。分析结果表明,本文方案对中等强度以下湍流大气的光传输具有明显改善效果。

摘要： 根据最近提出的交叉偏振度理论,研究了部分相干电磁光束在湍流大气中的交叉偏振度的变化情况.研究表明,部分相干电磁光束的交叉偏振度与一般偏振度不同:一般偏振度的取值范围局限在0～1 之间;而交叉偏振度的取值可以是任意的非负数.湍流大气中部分相干电磁光束的交叉偏振度由大气折射率常数、光源相关长度,光源的初始偏振度和观察平面位置等参数共同决定.本文还给出了保持交叉偏振度不变的条件.

摘要： 自由空间中带有光学涡的部分相干光的传输特性是影响大气光通信系统性于弱湍流大气中光波传输的Rytov方法和部分相干光的互相干函数的交叉谱密度函数近似,研究了带有"光学涡"的空间部分相干拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的传输特性,得出了弱湍流大气中传输的部分相干光束互相干函数和平均光强空间分布的解析关系.研究结果表明,弱湍流大气起伏仅仅影响这类光束相干函数的幅值,不改变光束光学涡的分布特征.

摘要： 根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU-R湍流大气结构常数模型,将水平传输的修正Rytov方法推广到了斜程传输问题中.在非零内尺度湍流模型下,得到了平面波和球面波入射时从弱起伏湍流区到强起伏湍流区斜程闪烁指数随斜程Rytov方差的变化规律.

摘要： 大气风场分布是制约光波大气传输的重要因素之一，准确测量光传播路径横向风速显得尤为重要。基于湍流大气光传播理论和泰勒的湍流冻结假说理论，首次提出利用哈特曼传感器子孔径闪烁相关信息进行路径横向风速测量的观点，详细阐述了该方法的基本原理和公式推导，开展了水平1千米光传播路径横向风速的测量。为验证结果的可靠性，将测量结果与接收端附近布置的风速计同时测量的结果进行了对比，结果表明两系统对应的结果无论在风速数值还是在随时间的变化趋势上都具有较好的一致性，由此表明，将哈特曼传感器用于横向风速的测量是可行的，拓展了该传感器的使用功能。

摘要： 星地激光通信中,大气对激光束的影响是需要考虑的重要问题.文中分析了湍流大气对光束造成的影响,提出了使用天文学中的自适应光学技术来解决该问题.要实现有意义的星地激光通信,自适应光学扮演着重要的角色.

摘要： 大气闪烁孔径平滑效应是大气遥感与大气探测数据分析中必然会遇到的一个主要因素.本文在湍流的串级理论框架下,研究湍流大气中传输的平面与球面光波的闪烁孔径平滑因子.通过分析不同尺度湍流对传输光波的调制(滤波)作用,给出了包含湍流内外尺度影响的"滤波"湍流谱密度.采用"滤波"湍流谱密度得出了湍流大气中平面与球面光波闪烁孔径平滑因子.结果表明探测孔径尺度和湍流内、外尺度都是影响大气闪烁测量的重要因素.

摘要： 本文分析了激光在湍流大气中传输时,若光束波前中出现相位不连续点时,自适应光学校正能力降低的原因,通过数值模拟计算了当光束波前中出现相位不连续点时对自适应光学校正的影响,表明在强起伏传输情况下,为了提高自适应光学的校正能力,必须要考虑不连续相应的影响.

摘要： 我们根据修正Rytov方法,利用湍流谱的修正Hill谱,得到了非零内尺度湍流模型下平面波和球面波的强度方差,主要讨论了湍流内尺度,入射波波长,传播距离等对光传播统计参量对数振幅方差和强度方差的影响.

摘要： 本发明提供一种测量大气湍流非等晕性波前误差及湍流特征参数的测量装置及方法，根据信标模式对信标哈特曼传感器调焦距离进行设置，利用目标哈特曼传感器、信标哈特曼传感器分别接收目标光波、信标光波成像光斑图样，外部同步触发源控制目标哈特曼传感器CCD与信标哈特曼传感器CCD同步采集；利用波前处理机计算同时序目标光波、信标光波在微透镜组子孔径内的平均斜率、并进行差分运算；通过复原算法对差分式平均斜率、目标光波平均斜率进行复原与Zernike模式展开，可得非等晕性波前误差、目标湍流波前二维分布、波面方差、P-V值、Zernike模式方差，非等晕性相对误差等统计特性，以及相干长度、等晕角、信标等效直径等湍流特征参数。本发明光能利用率高、测量误差小，有广泛应用前景。

摘要： 本发明公开了一种基于总大气相干长度约束的分层大气湍流强度测量方法，该方法以大视场夏克‑哈特曼波前传感器得到的多个目标的子孔径斜率为输入，以大气总相干长度测量设备测量的大气总相干长度作为约束，获取分层大气湍流强度参数。本方法可以弥补传统太阳差分图像运动监测仪加(S‑DIMM+)方法导致的高层大气湍流强度被低估的不足，提高分层大气湍流强度参数测量精度。

摘要： 本发明提供一种测量大气湍流非等晕性波前误差及湍流特征参数的测量装置及方法，根据信标模式对信标哈特曼传感器调焦距离进行设置，利用目标哈特曼传感器、信标哈特曼传感器分别接收目标光波、信标光波成像光斑图样，外部同步触发源控制目标哈特曼传感器CCD与信标哈特曼传感器CCD同步采集；利用波前处理机计算同时序目标光波、信标光波在微透镜组子孔径内的平均斜率、并进行差分运算；通过复原算法对差分式平均斜率、目标光波平均斜率进行复原与Zernike模式展开，可得非等晕性波前误差、目标湍流波前二维分布、波面方差、P-V值、Zernike模式方差，非等晕性相对误差等统计特性，以及相干长度、等晕角、信标等效直径等湍流特征参数。本发明光能利用率高、测量误差小，有广泛应用前景。

摘要： 本发明提供一种大气湍流抑制方法、装置及大气激光通信系统。其中，大气湍流抑制方法，通过设定一个预设光电流，并将接收到的大气湍流引发的光电流与预设光电流进行比较，调节APD的反偏电压，使大气湍流引起的干扰电信号与预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号相同，从而将波动的干扰电信号转化为一个类似于直流的干扰电信号，从而抑制了大气湍流的波动以及衰落，同时，通过对空间激光通信的前端接收部分APD的增益进行自适应增益控制，来抑制大气湍流的波动以及衰落，成本低廉，占用空间小，适合轻量级飞艇的使用。同时采用大气湍流抑制方法的大气激光通信系统的误码率远低于固定增益下大气激光通信系统的误码率，提高了通信质量。

摘要： 本发明公开了一种基于总大气相干长度约束的分层大气湍流强度测量方法，该方法以大视场夏克‑哈特曼波前传感器得到的多个目标的子孔径斜率为输入，以大气总相干长度测量设备测量的大气总相干长度作为约束，获取分层大气湍流强度参数。本方法可以弥补传统太阳差分图像运动监测仪加(S‑DIMM+)方法导致的高层大气湍流强度被低估的不足，提高分层大气湍流强度参数测量精度。

摘要： 本发明公开了一种模拟大气边界层多尺度湍流结构的风洞试验装置及方法，针对目前大气边界层风洞模拟装置及方法存在湍流积分尺度模拟能力不足、人工调控耗时长等问题，本发明在宏观上提出将风洞风速与格栅翼姿态协同控制的方法，在微观上提出变尺寸锯齿边缘的格栅翼外形设计方法，可以有效扩展大气边界层湍流积分尺度的模拟范围。同时，提出了采用机器学习自动寻优的控制方法，可以显著减小试验调试工作量，提高试验效率。此外，变尺寸锯齿边缘格栅翼可同时产生不同积分尺度湍流结构，有助于快速达到湍流充分发展状态。

摘要： 本发明属于空间激光通信技术领域，提出了一种基于陡峭度参数测量大气湍流广义指数参数的方法及装置，包括激光发生器，光学发射仪，光学接收屏，陡峭度参数数据处理器；测量方法是激光发生器产生的光束通过光学发射仪准直和扩束后发射，发射出的准直光束通过大气湍流后被光学接收屏接收，然后根据光束在大气湍流传输时陡峭度参数的变化规律，利用陡峭度参数数据处理器获得陡峭度参数，进而反演计算出大气湍流广义指数参数。本发明所提供的测量方法与传统测量大气湍流参数的方法不同，实现测量方法的实验装置结构简单，无需特殊的、复杂的测量仪器，更易于实现精密测量，操作更方便，效率高，且成本更低。

摘要： 本发明公开了一种测量大气光学湍流信息的方法及光学系统，通过第一望远光学系统向外界发射出信号光以及获取该信号光被外界反射回的光，将第一望远光学系统获取的由外界反射回的光与本振光混合得到第一混合光；通过第二望远光学系统向外界发射出信号光以及获取该信号光被外界反射回的光，将第二望远光学系统获取的由外界反射回的光与本振光混合得到第二混合光；第一望远光学系统和第二望远光学系统的口径不同，根据第一混合光和第二混合光的能量比值，获得外界大气的光学湍流信息。本发明利用光学相干测量方法，利用口径不同的望远光学系统进行测量，与现有技术相比能够提高空间分辨率以及提高测量精度。

摘要： 本发明公开了一种激光大气湍流传输特性的动态模拟装置，该装置包括激光器、探测器以及若干反射镜，还包括平移机构和相位屏，每个相位屏的表面起伏形貌符合科尔莫格罗夫功率谱的二维分布，各相位屏独立地由平移机构控制，在垂直于激光光束的平面内平动，以模拟激光大气湍流的动态相位畸变。本发明提供的技术方案利用微加工技术刻蚀的玻璃板制作相位屏并通过平移机构控制以实现激光大气传输的动态模拟，解决了现有技术中面临的仪器昂贵、装置复杂、分辨率低以及光衰减严重不宜传输强光的诸多问题。

摘要： 本发明公开的考虑光电探测噪声的大气湍流信道衰落参数估计方法，具体为：步骤1，建立光电探测噪声下的大气湍流信道模型并获得概率密度函数，光强起伏概率密度函数服从Gamma‑Gamma分布，噪声为加性高斯白噪声；步骤2，对光电探测噪声下的Gamma‑Gamma分布的概率密度函数求对数，得到最大似然函数估计表达式；步骤3，利用牛顿‑拉斐逊法求解得到信道参数估计的均方误差。本发明解决了现有技术中存在的估计Gamma‑Gamma信道参数时未考虑噪声导致误差增大的问题。