下载文档原格式
第35卷，增刊红外与激光工程2006年10月、，01．35Su pp l e m e n t I n疳ar ed a nd Las er E ngi nee r i n卫O ct．2006湍流大气中空间部分相干奇异光波的传输张逸新1，汤敏霞2(1．江南大学理学院，江苏无锡214122；2．江南大学情报研究所，江苏无锡214122)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能的关键因子之一。
基于弱湍流大气中光波传输的R yt ov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一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。
关键词：湍流大气；部分相干光；交叉谱密度；中图分类号：T N929．12，n奶58．98，P407．5，P427．1+13平均光强Pr opaga t i on of par t i aU y coher ent s i ngul am y beam s i n钿r bul ent at I I l ospher eZ H A N GY i．xi I l l．TA N G M i l l．xi a2(1．S chooI of Science，Sou t hem Y抽gt ze U n i vcr s it y，W ux i214122，Ch i n a；2，I嘣岫忙of com m岫i c砒i on R cs能r ch cent他ofcon仃oI scien∞＆Engineer ing，s ou恤mⅦ咖uniV哪咄wlⅨi214122，C hi岫A bst豫ct：T he pr o pagat i on pr oper t i e s of t11e pan i al l y co her en t si l l gul ar i t y be am s t hr o ugh a缸nos pher i c t I l r bul e nc e ar e ke y ef佗c t-f沁t or s of at m ospher i c t ur bul ence on行ee s pace opt i c al com m uni cat i ons s yst em s．B aS ed on t he R yt oV appr oxi m at i on锄d t he印pr oxi Il l at i on of cr oss-s pec仃a l dens i t y f or t he m ut ual coherence funct i on of m e pani al l y coh er ent f i el d，t he pr叩agat ion prope rt i e s of t he pa r t i al l y coh er ent Laguel l r e-G auss be am s w i t h opt i ca l V or t i ce s i n t ur bul e nt annospher e ar e di s cuss ed．Ex pr ess i on s f or aV erage i nt ens时and t he m ut ual coherence f ul l ct i on of pan i al l y coh er ent f i e l d w hen be锄s pr o pagat i on i11w ea k t ur bul e nt at m os pher e ar e ob t ai ned f r om t he cr o ss—s pect r al dens i t y缸nct i on．n i s s how n t ha t t he V o r t ex st nJ ct ur e of t he aV erage cr o ss—s pect r al densi够of par t i al l y coh er entL aguer r e-G aus s bea m s has廿l e s锄ehel i c oi da l l y s hape w i t h t ha t of t lle phase of m e fhl l y co her en t Laguerr e—G aussbeam，w hi ch is pr opag at i on i n f he s pace，卸d t he r el at i V e i nt ens i够of t he beam i s degr aded by opt i ca l vonex．K e y w or ds：T hr bul ent a缸nosphe r e；Pa rt i al l y coher ent be锄；C r oss s pec仃a l dens i t y；A V er age i ntens毋0引言无线大气光通信是现代通信技术的重要分支之一，而大气无线光通信系统的性能因大气湍流的干扰而受到限制。
2.1 大气折射率在光学频率范围内，对流层（高度<17km）中的地球大气的空气折射率表示如下：n=1+77.6（1+7.52×10-3λ-2）（p/T）×10-6 （2.1）式中，p是以mbar为单位的大气气压，T是热力学温度，λ是以μm为单位的光波波长，由于地面上温度对n1（r）的贡献＜1%，故（2.1）式中忽略了与水汽压相关的项，当然这一项对水上传播光路是不可忽略的。
2. 2 大气湍流描述自然界中的流体运动存在着二种不同的形式：一种是层流，看上去平顺、清晰，没有掺混现象；另一种是湍流，看上去毫无规则，显得杂乱无章。
例如，如果流体以一定的速度流过一个管子，我们可以用带颜色的染料对它进行观察，在流体速度低的时候，流线光滑面清晰，流体处于层流状态；不断增加流体速度，当流速达到一定值时，流线就不再是光滑的了，整个流体开始作不规则的随机运动，流体处于湍流状态。
自从1883 年Reynolds 做了著名的湍流实验以来，以Monin-Obukhov 提出的相似理论、Deardorff 提出的大涡模拟、美国Kansas 州观测实验等为代表，大气湍流的研究已经取得了很大的进展和丰硕的成果，并在天气、气候研究和工程实际中获得成功地应用。
湍流对大气中声、光和其它电磁波的传播具有极为重要的影响，例如湍流风速、温度和湿度的脉动都会引起声音散射和减弱，大气小尺度光折射率的起伏(称为光学湍流)，会严重影响光的传播和光学成像的质量等等。
长期以来，以Tatarskii 的工作为代表，声光电传播的湍流效应大都是按照Kolmogorov 的均匀、平稳和各向同性假设处理的，而实际的湍流经常不满足这些假设，要建立更加完善的波动传播模型就必须考虑湍流的各向异性、以及间歇性的影响。
2. 3 折射率湍流模型在湍流大气中，折射率在不同地点、不同时刻都是变化的。
一方面，我们还不可能对这些变化作出预测；另一方面，即使已知这些变化，要对所有时刻、所有地点的值作出描述实际上也是不可能的。
4.1 光强起伏（光闪烁）的定义及基本描述光强起伏（光闪烁）是大气湍流导致的最常见且最明显的光传输效应之一，激光在湍流大气中传输时其光强随时间变化而产生随机起伏的现象被称作为光强起伏（光闪烁），其原因是大气折射率起伏在导致传输激光相位变化的同时，也导致了传输激光的振幅起伏，进而产生散射强度起伏现象，更进一步的原因可认为是由同一光源发出的通过略微不同路径的光线之间的随机干涉所造成。
经典理论认为：光闪烁由尺寸比光束直径小的大气湍流引起，它与湍流的内尺度、外尺度、结构常数及传输距离等因素有关，其幅度特性由接受平面上光强的对数强度方差σI2来表征：σI2=I2−I2I2（4.1）光束在湍流大气中传输时，对数振幅满足正态分布，振幅对数满足χ定义为：χ≡ln（A/A0），其中，A为在湍流中传播时实际的光波振幅，A0为未经过湍流扰动的振幅。
设一对数正态分布为高斯随机变量（对数正态分布密度函数具有三个相对读了的参数：χ、σx、I0），其中对数振幅χ的均值为χ，标准偏差为σx，则其概率密度分布函数为：pχΧ=2πσ −χ−χ2σχ（4.2）其振幅A=A0 expχ。
引入概率变换：p A A=pχΧ=ln A dχdA ,dχdA=1A（4.3）则振幅的概率密度函数为：p A A=2πσA exp −12σχ2ln AA0−χ2，A≥0（4.4）闪烁起伏概率分布满足对数正态分布的物理意义是：光场u=u0expχ+jsδ中χ是大量独立前向散射元的和，由中心极限定理可知χ服从正态分布。
4.2 光强闪烁的日变化大气的湍流运动导致信道上折射率的不均匀起伏，引起光强起伏，表征光强起伏强弱程度的主要特征量是对数光强起伏方差。
它的定义：σln I2=ln I I0−ln I I02（4.5）其中ln I为瞬时光强的对数值：ln I为平均光强的对数值。
在较好的天气下，光强起伏值从太阳出来后开始上升，到中午达到最强，视观察距离的不同起伏值也不同，如果距离很长，起伏值趋于一条直线，达到“饱和”。
激光光束在大气中的传输机理研究作为一种重要的光学工具，激光在现代科技和工业中发挥着重要作用。
而激光光束在大气中的传输机理的研究，则是涉及到激光技术应用的一个关键领域。
在大气传输中，激光光束受到许多因素的影响，如大气湍流、散射和吸收等。
本文将深入探讨这些因素对激光光束传输的影响与机理。
首先，大气湍流是激光光束传输中的主要难题之一。
湍流会导致光束的强度分布发生扭曲和衰减，从而降低激光传输的效率和质量。
目前，有许多研究方法用于模拟和理解湍流对光束的影响。
其中，数值模拟是一种常用的方法，通过数学模型对湍流流场进行计算和模拟，进而预测光束传输的效果。
此外，实验方法也被广泛应用于湍流研究中，例如通过气球和飞机等载体，在大气中进行光束传输实验，并测量湍流对光束的影响。
其次，散射是激光光束在大气中传输的另一个重要影响因素。
大气中的微尺度粒子（如烟尘、白细胞和水滴）会使光束在传输过程中发生散射，从而导致光束的发散和强度的削弱。
为了更好地理解和预测散射对光束传输的影响，研究者们提出了各种散射模型和算法。
利用这些模型和算法，研究者可以预测光束在不同大气条件下的传输距离和强度衰减，并为激光应用提供相关参数和指导。
另外，大气在不同波长的激光光束中的吸收特性也会对光束传输产生影响。
大气中的气体分子和颗粒物质会对激光光束中的能量进行吸收，从而导致光束的衰减和传输距离的限制。
为了充分利用激光技术，科研人员研究了不同波长激光在大气中的传输特性，并通过选择适合的激光波长，有效地减小了光束传输的衰减和损失。
总结而言，激光光束在大气中的传输机理研究是一个复杂而又关键的领域。
湍流、散射和吸收等因素的影响，使得激光在大气中传输的过程十分复杂且不可忽视。
因此，对这些因素的深入研究和理解，对于激光技术的发展和应用具有重要意义。
未来，我们可以继续探索新的理论和实验方法，以更好地解决激光光束在大气中的传输难题，并推动激光技术在各个领域的进一步应用与发展。
激光在动态大气湍流中的传播特性研究
耿兴宁;刘政;李武周;许宏;蔡军;陈科亦
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2024(54)1
【摘要】激光束在大气中传播的过程中会受到大气湍流的影响,导致光斑发生畸变,影响光束质量,并且在真实情况下湍流是随着时间变化的。
本文针对这一问题,基于傅里叶变换的谱反演法建立了湍流相位屏模型,并根据湍流冻结法获得动态相位屏,开展了激光在不同强度的动态大气湍流中传输的仿真研究。
仿真结果表明:对于相同的激光束,在相同时间内的光斑畸变随着大气湍流强度的增加而增加,并且接收到的功率密度整体上减小,起伏增加。
【总页数】8页(P40-47)
【作者】耿兴宁;刘政;李武周;许宏;蔡军;陈科亦
【作者单位】电磁空间安全全国重点实验室;光电对抗测试评估技术重点实验室;中国人民解放军93046部队
【正文语种】中文
【中图分类】TN249;O436
【相关文献】
1.激光在大气湍流态中传播(Ⅰ)--湍流研究的基本理论
2.激光在湍流大气中的传输特性和仿真研究
3.激光在大气湍流中的传输特性
4.超连续谱激光在湍流大气中传输特性的数值仿真研究
5.径向阵列艾里涡旋光在倾斜大气湍流中的漂移特性
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
湍流大气中激光波束目标回波特性湍流大气中激光波束目标回波特性激光雷达技术是一种重要的远程目标检测手段，广泛应用于军事、安全、环境监测和自动驾驶等领域。
然而，湍流大气对激光波束的传播和目标回波产生了很大的影响，导致目标回波信号的损失和失真。
因此，研究湍流大气中激光波束目标回波特性具有重要的理论和实际意义。
湍流大气是由于气流混合和不规则温度分布引起的，它的特点是空间和时间上的波动和不稳定性。
当激光波束穿过湍流大气时，会受到湍流的折射、散射和吸收，导致波束的传输损耗和畸变。
湍流大气对激光波束传输的主要影响因素包括湍流强度、相关尺度、湍流内外尺度比例以及湍流脉动等。
这些影响因素的复杂性使得激光波束的传输特性变得难以预测和控制。
在湍流大气中，激光波束与目标交互作用后，会产生目标回波信号。
目标回波信号包含了目标物体的特征信息，如位置、形状、尺寸等。
然而，湍流大气中激光波束的传输损耗和畸变影响了目标回波信号的强度和形态，使得目标信号难以被准确捕获和分析。
因此，研究湍流大气中激光波束目标回波特性对于提高激光雷达系统的性能至关重要。
目前，研究者们对湍流大气中激光波束目标回波特性进行了广泛的研究。
一方面，他们通过数值模拟和实验验证的方法，研究了湍流大气对激光波束的传输损耗和畸变的影响规律。
另一方面，他们通过改进激光雷达系统参数、引入自适应光学技术、应用信号处理算法等手段，尝试对湍流大气中的激光波束目标回波进行增强和矫正。
研究结果表明，在湍流大气中激光波束目标回波特性受到湍流强度和相关尺度的显著影响。
随着湍流强度的增加，目标回波信号的强度减弱，信噪比下降。
湍流相关尺度的增加会增加目标回波信号的时间相关性，导致回波信号的畸变和模糊。
此外，湍流脉动也会影响目标回波信号的相位和强度分布。
针对湍流大气中激光波束目标回波的特性，研究者们提出了一些应对策略。
一是改进激光雷达系统的参数设计，如增加激光功率、优化激光发射波形、改进接收系统灵敏度等，以增强目标回波信号。
贝塞尔高斯波束在湍流大气中的传输特性和应用贝塞尔高斯波束在湍流大气中的传输特性和应用引言贝塞尔高斯波束是一种具有特殊传输特性和广泛应用前景的光束。
湍流大气作为光波传输中的一个重要障碍，常常导致光束的扩散、衍射和畸变。
本文将以贝塞尔高斯波束在湍流大气中的传输特性和应用为主题进行探讨，旨在揭示贝塞尔高斯波束在湍流大气环境中的表现和潜在优势。
贝塞尔高斯波束的传输特性贝塞尔高斯波束是一种由随距离变化的波面曲率和衍射性质所描述的光束。
相比于其他光束，贝塞尔高斯波束在湍流大气中具有以下特性：1. 自主焦点调整能力：贝塞尔高斯波束具有自主调整焦点位置的能力，这是由于波束的数值孔径在传输过程中可变化。
在湍流大气中，由于不断变化的折射指数，光波的相位面遭到扭曲，导致传统高斯光束的焦点位置难以维持。
而贝塞尔高斯波束通过调整光场的角度和数值孔径，可以在传输过程中实现焦点位置的自主调整。
2. 耐湍流衍射：湍流大气中光波的湍流衍射常常引起光束的扩散和畸变。
贝塞尔高斯波束的特殊传输特性使其能够更好地抵抗湍流衍射的影响。
其波前曲率变化的同时，波束半径也会相应调整，以适应湍流环境中不断变化的折射指数。
这种自适应性使得贝塞尔高斯波束具有更好的衍射耐受能力。
贝塞尔高斯波束的应用前景湍流大气中的光束传输一直是光学通信和激光雷达等领域的难点之一。
贝塞尔高斯波束作为一种具备特殊传输特性的光束，有着广泛的应用前景。
1. 光学通信：在大气传输中，贝塞尔高斯波束相比传统高斯光束具有更好的抗湍流衍射和自适应调整焦点位置的能力。
这使得贝塞尔高斯波束在光学通信系统中可以更好地保持光束的聚焦性和传输稳定性，提高视距传输的可靠性和速率。
2. 大气湍流成像：湍流大气环境下的图像采集经常面临衍射失真和模糊问题。
贝塞尔高斯波束的特殊传输特性可以通过自适应调整焦点和抗湍流衍射的能力，减小图像的扩散和畸变，提高成像质量。
3. 激光雷达：激光雷达在大气中的探测和测距常常受到湍流大气的影响。
湍流大气中涡旋光束拓扑荷对焦面光强的影响赵贵燕，张逸新*（江南大学理学院，江苏无锡，214122）摘要：采用数值模拟的方法研究了拓扑荷在大气湍流倾斜、散焦、象散三种低阶像差中所起到的作用。
结果表明：对于倾斜和散焦两个低阶像差，随着拓扑荷的增加，光束维持中心暗斑的鲁棒性越来越强；但是，湍流强度变化对焦面光强分布形状的影响仍很小，因而拓扑荷对湍流散焦的影响可以忽略。
对于湍流象散像差，拓扑荷对为偶数和奇数时，对光强分布的影响有不同的规律：当拓扑荷为奇数时，光束中心为暗斑，随着拓扑荷的增加，光强的峰值减小，光束扩展；而当拓扑荷为偶时，光束中心出现亮斑，取代了原有的中心暗斑，且光强分布趋向于高斯分布。
关键词：涡旋光束，湍流大气，拓扑荷，低阶湍流中图分类号：O439.The effects of topological charge of vortex beams propagating inturbulent atmosphereZhao Gui-Y an, Zhang Yi-Xin(School of Science, Jiangnan University Wuxi 214122 China）Abstract: The normalized averaged intensity distributions, in image plane, of the beam under the tilt aberration, defocus aberration, and astigmatism aberration are investigated by numerical calculation. Our results show that for tilt and defocus aberrations, with the increase of the topological charge, the robustn ess of the beams increase. However, the effect of the turbulent on the distribution of the beam is very insignificant, so the effect of the topological charge on the two aberrations can be ignored. For the astigmatism, it’s quite different from the other two aberrations. When the number of topological charges is odd, there still a hollow in the center of the beam, and as the increase of the topological charge, the intensity of the beam decreases, and the beam spreads; while for the beams with an even topological charges, there’s a bright spot in stead of the hollow.Key words: vortex beam, turbulent atmosphere, topological charge, low-order aberration.基金项目：上海市科学技术委员会科研计划项目(课题编号：08dz1400700)。
