大气湍流中的激光传输

激光大气传输湍流扰动仿真技术李波;王挺峰;王弟男;田玉珍;安雪晶【摘要】为了研究激光大气传输时湍流效应对激光应用技术的影响,对湍流扰动的仿真进行了分析。

介绍了在实验室内进行激光大气传输湍流扰动研究的数值仿真技术和仿真系统。

阐述了快速傅里叶变换（FFT）和Zernike多项式两种湍流扰动数值仿真方法,并且对比了两种方法的优劣。

利用物理相位屏搭建了实物湍流仿真系统,介绍了其理论模型并进行了仿真实验,对激光经湍流系统传输后的光强能量分布进行了研究分析。

结果显示,室内湍流仿真系统能够准确地模拟弱起伏条件下湍流对激光传输的影响。

%To investigate the influence of turbulence on the laser propagation through atmosphere,the simulation technology of the turbulence was analyzed.The numerical simulation technology for the turbulence on laser propagation in laboratory was introduced and turbulence simulation systems were also discussed.A detailed description and the comparison for Fast Fourier Transform（FFT） and Zernike polynomial methods of numerical simulation were offered and a turbulence simulation system was established by a static phase screen.The theoretical model and the simulation experiment were also performed,then energy intensity distribution of laser propagating in the tarbulence simulation system were studied.The results show that the system can simulate the weak fluctuation turbulence accuretely.【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2012(005)003【总页数】7页(P289-295)【关键词】激光传输;湍流扰动;随机相位仿真;随机相位屏【作者】李波;王挺峰;王弟男;田玉珍;安雪晶【作者单位】海军驻长春地区航空军事代表室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,吉林长春130033／中国科学院研究生院,北京100039;辽宁机电职业技术学院信息工程系,辽宁丹东118009【正文语种】中文【中图分类】TN241;TP391.91 引言近十几年来，激光通信技术，激光主动照明成像技术以及自适应光学技术的发展促进了学者对激光大气传输研究的更多关注。

第35卷，增刊红外与激光工程2006年10月V bl ．35Su pp I e m e n tIn 厅are d 柚dLas er E ngi ne er i ngO ct ．2006湍流谱中高频“泵浦"对激光大气传输影响的数值模拟研究钱仙妹，朱丈越，饶瑞中(中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学研究室，安徽合肥230031)摘要：当湍流不稳定时，在折射率谱的高频端会出观特殊的能量注入而形成狭窄的高埂“泵浦(bu 证口)”结构一采用数值模拟的方法研究分析了该高频bum p 结构的性质及其对激光大气传输的影响。

．数值模拟结果表明：高频b 啪p 的存在使得光强起伏功率谱的高频端出现了尖峰结构并伴有次频成分；随着折射率谱中b 啪p强度的增大，光强起伏功率谱的高频端渐渐偏离一8／3幂律而下降速度减慢；高频bum p 还使得光束发生扩展，光束有效半径随bum p 强度的增大而先增大后减小最后趋于一稳定值，光束有效半径随bum p 宽度的增大而增大，最大的光束有效半径可以达到不存在bum p 时光束有效半径的数倍。

关键词：光传播；湍流大气；数值模拟；泵浦；光强起伏功率谱；光束扩展中图分类号：TN 012文献标识码：A文章编号：l 007．2276(2006)增A ．0432．05Si m ul at i on of ef f e ct ofahi gh —f r equency bum p i n t he t ur bul ences pect r um on I as er pr opagat i onQ I A N X i an-m ei ，Z H U 、M en-yu e ，R A OR ui —zhong(Labo 嘣or y of A 臼no 印he —c opncs ，A nhui Ins ti t ule of op 廿cs 锄dFi neM ech 柚i cs ’chi ncs 棼A cadcnI y ofs ci ∞∞，H cf ei23003l ，Cll i 豫)A bst r a ct ：W he nt he t ur bul ence i s i I l st abI e ，a s ou r c ef or 埘ect i l lg energy i mo t he 劬rbul entspe 咖埘w i l lc ause anam w hi gh 一疗e que ncybum p ．111ech 锄ct er i st i cof t hi s bum p and it s e 仃ec t onl 鹤er pr o pagat i onar esi l I l ul at ed ．111es i m ul at i on r e sul t s show t h at m e ef 琵ct ofabum p i Il m e t urbul en ce s pec 觚m i st 0pm duceahi gh —f ．r equ ency spi kea t t e nded by som eh 蚴oni csi n t he pow e r spect r a l dens i t y of i nt ens i 桫f l uct uat i on ，w hi ch does n ’tf ol l ow t he 一8／3pow e r mode l gr adual l y but f al l s of r m or e s l ow l y 觞bum p s 订e n 垂h i Il cr e 弱es ．H i gh-fr equencybum p m ayc a u s ebe 锄s preadi Il g 锄d t he e 丘bc t i V ebe 锄r adi usf i r st l y i nc re as es t l l en com e s t oaSt eady val uea sbum p s 灯e n 垂h i n cr ea ses ．T l l ee 行．ect i V ebe 锄radi usm ay a l so i I l cr e 弱e 勰bum p w i dt h i ncr eas es ．The bi gge S t spr e adi I l g beam r adi us c 雒bec ome s eV er al t i m es of t h at i n t he abs ence ofhi 曲行equencybum p ．K ey wor ds ：L as er propagat i on ；Thrbul ent 咖osphere ；N 啪eri cals i Il l ulat i on ；B um p ；P ow e r spe ct r aldensi 够of i nt ensi 妙f l uc t ua t i on ；B e 锄spr eadi I l gO 引言在研究激光湍流大气传播时，通常假定湍流能量遵循从大尺度(低的波数区)到小尺度(高的波数区)收稿日期：2006．07．27基金项目：国家863计划项目资助课题作者简介：钱仙妹(1982．)，女，安徽安庆人，博士研究生，主要从事激光大气传输的值模拟计算研究．增刊钱仙妹等：湍流谱中高频“泵浦”对激光大气传榆影响的数值模拟研究433的R ichar ds on级串过程I l’2】，最常见的是K olm ogor ov谱，在惯性区内，谱密度按照S(r)～r一(3“2)仃(摊空间)的方式变化。

第19 卷第1 期2007 年3 月光散射学报THE JOUR NAL OF L IGHT SCATTERIN GVol119 No11March1 2007文章编号:100425929 (2007) 0120043206大气对激光传输的影响ΞΞΞ刘波涛(海军工程大学兵器工程学院, 湖北武汉430033)摘要: 本文分析了激光传输过程中大气这一传输介质对其的影响,由大气的成分出发,采用辐射传输理论描述了大气介质的吸收和散射特性,着重分析了其中对辐射影响最大的两种因素,即大气消光和大气湍流。

并建立了大气传输系统的传递函数模型。

最后通过LOWTRAN 模拟软件包对本文所得的模型进行评估。

关键词: 大气传输特性; 大气湍流; 大气消光中图法分类号: TN92911 文献标识码: AThe Attenuation of Laser in the AtmosphereL IU Bo2tao( N av a l U niversit y o f E ngineering , Enginee r ing Instit ution of Weapon ,Hubei Prov . , W u han 430033 , China)Abstract : The attenuation of laser through the atmosphere is analyzed. Atmosphere absorption and scattering are described by radiation propagation theory. We analyze air extinction and air on flow on emphasis which are the most important factors to the absorption of radiation propa2 gation. The atmospheric t ransfer function model is constructed. At last , we evaluate this func2 tion model with the help of LOW TRA N software.Key words : Atmospheric propagation characteristic ; A ir on flow ; Air extinction1 大气的结构与对激光的影响随着光电成像技术的发展,远程摄像应用越来越广泛。

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。