大气湍流光强闪烁效应的抑制技术研究

关键湍流大气光学参数测量方法与技术研究的开题报告一、论文选题背景与意义近年来，光学遥感技术在大气环境监测和天文观测等领域得到了广泛应用。

然而，大气光学扰动——湍流，对光传输造成的衍射、散射、吸收等影响是不可避免的。

由于湍流的非线性特性和随机性，它对光的传输常常表现为空间和时间上的不规则变化。

这不仅给地面光学设备制造和光学遥感技术应用带来了挑战，也给天文望远镜的高精度测量和图像采集带来了很大的困难。

关键湍流是大气中产生湍流的主要动力学机制。

研究表明，关键湍流和湍流视场参数之间有着很强的相关性。

因此，在大气光学研究中，关键湍流视场参数的测量和研究具有非常重要的意义。

本论文旨在探究关键湍流视场参数的测量方法与技术，以提高湍流光学扰动对光传输的影响预测和控制水平，从而为光学设备制造和光学遥感技术应用乃至天文观测等领域提供有力的支撑。

二、主要研究内容与技术路线本论文的主要研究内容包括：1. 关键湍流视场参数的理论研究，包括湍流视场波谱、湍流相干长度等参数的定义和推导；2. 关键湍流视场参数的测量方法与技术研究，包括基于自相似性理论的自回归模型法、时间延迟多普勒速度传感器法等方法的原理分析和实验研究；3. 关键湍流视场参数的应用研究，包括大气透明度的预测和控制、光学设备制造和光学遥感技术的优化设计等方面。

本论文的技术路线如下：1. 理论研究与文献综述。

根据国内外关于关键湍流视场参数的研究现状和进展，总结和分析其理论基础和关键技术，明确研究方向和目标；2. 实验设计与数据采集。

根据自回归模型法、时间延迟多普勒速度传感器法等关键湍流视场参数测量方法的原理和特点，设计并构建实验平台，采集关键湍流视场参数的相关数据；3. 数据处理与分析。

选用MATLAB等数据处理和分析软件对实验数据进行处理和分析，得出关键湍流视场参数的定量化结果，并进一步对测量精度和可靠性进行评估和优化；4. 结果展示与应用。

根据关键湍流视场参数的实际应用需求，以大气透明度预测和控制、光学设备制造和光学遥感技术优化设计为例，将研究结果进行展示和应用。

空间光通信中的湍流抑制技术研究
自由空间光通信(Free Space Optics,FSO)是目前发展迅速的一种新型通信方式,在卫星通信、地面通信、军事方面都有广泛的应用。

折射率不稳定造成的大气湍流效应对自由空间光通信系统的性能有着严重的影响,是FSO系统中一个重要的问题。

本文主要针对空间光通信系统中的两种湍流抑制技术——自适应光学技术和部分相干光技术进行了研究,主要工作内容如下:1、对空间光通信系统中的大气湍流抑制方法进行了调研和综述,包括:孔径平均技术、分集技术、透镜改进技术、自适应光学技术、部分相干光技术等。

2、研究了激光在湍流大气中传输的基本理论,利用分步傅里叶方法和谱反演法对激光在大气中的传输进行了数值仿真。

研究了基于Fresnel缩放理论的实验室内长距离传输模拟方法。

3、完成了基于SPGD算法的非波前探测自适应光学大气湍流抑制实验,研究了非波前探测自适应光学技术对光纤耦合效率的提升作用。

实验结果表明,不同湍流强度下,校正后的光纤耦合效率能提升2.7～9dB不等,同时校正后的光纤耦合效率更集中。

4、研究了部分相干光技术。

对伪部分相干高斯谢尔模光束在湍流大气中的传输进行仿真分析。

仿真结果表明,部分相干光技术在长距离或强湍流情况下能有效降低闪烁系数,相干长度越小,湍流抑制能力越强。

当湍流强度Cn2=1×10-13m2/3,传输距离为2.5km时,相对于完全相干光,部分相干高斯谢尔模光束能将闪烁系数从2.8降低到2.2。

《MATLAB大气湍流光斑闪烁指数代码的深度探讨》随着科技的不断发展，大气湍流光斑闪烁指数在光学、通信等领域的应用日益广泛。

MATLAB作为一款功能强大的科学计算软件，其在模拟和分析光学系统中大气湍流光斑闪烁指数的代码设计尤为重要。

在本文中，我们将从理论基础到实际应用，全面探讨MATLAB中大气湍流光斑闪烁指数的代码设计及其深度应用。

1. 理论基础大气湍流光斑闪烁指数是描述大气湍流对光强度变化的一种指标。

其基本原理是基于湍流对光波的相位和振幅的影响，通过计算湍流的动态性和空间相关性来确定光斑的闪烁程度。

在理论基础部分，我们将介绍大气湍流光斑闪烁的基本原理和公式推导，以及MATLAB中相应的数学模型和算法设计。

2. MATLAB代码设计在MATLAB中，我们可以借助其丰富的工具箱和函数库，设计出高效、精确的大气湍流光斑闪烁指数计算代码。

通过分析湍流的功率谱密度、结构函数和相位自相关函数等参数，我们可以编写出适用于不同大气条件的代码，并结合图形界面进行直观的展示和分析。

这部分将详细介绍MATLAB中大气湍流光斑闪烁指数代码的设计思路和实现方法。

3. 实际应用除了理论模型和代码设计外，我们还将探讨MATLAB代码在实际应用中的效果和可行性。

通过对不同环境下大气湍流光斑闪烁指数的计算和分析，我们可以评估代码的准确性和稳定性，为光学系统的设计和性能优化提供科学依据。

我们还将介绍MATLAB代码与现有光学仿真软件的结合，以实现更全面、更精确的大气湍流光斑闪烁效应模拟。

总结与展望在总结回顾部分，我们将对整篇文章进行梳理和总结，从理论到实践，从代码设计到应用效果，全面展现MATLAB中大气湍流光斑闪烁指数的重要性和价值。

我们还将展望未来，探讨更多基于MATLAB的大气光学研究方向，为光学技术的创新和进步提供有力支持。

个人观点和理解作为文章的作者，我对MATLAB中大气湍流光斑闪烁指数的代码设计及其应用前景充满信心。

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。

激光大气传输接收功率闪烁的概率分布特征闫雅慧;文莹;刘秉琦【摘要】The irradiance fluctuation caused by the atmospheric turbulence has a heavy influence on the beam quality of the laser in the applicationsof laser communications,laser ranging and laser guidance.The transmission of a colli-mated Gaussian beam in atmospheric turbulence under aperture averaging is simulated by the multiphase screens Fou-rier transform method.By comparing log-normal distribution,Gamma-Gamma distribution,exponentiated Weibull dis-tribution and Weibull distribution,it is found that the exponentiated Weibull distribution fits the simulation data best, and has advantages that the probability density function and cumulative distribution function are simple and the pa-rameters can be calculated by atmospheric parameters.This provides a reference for the applications of laser atmos-pheric transmission.%在大气激光通信、激光测距、激光制导等应用中，由于大气湍流引起的接收光功率起伏对其工作效果及稳定性都有很大的影响。

大气湍流效应对激光传输影响的仿真研究郭惠超;孙华燕;吴健华【摘要】针对大气湍流效应对半导体激光光束远场光束质量的影响进行仿真研究。

首先理论分析泽尼克多项式产生的相位屏及指数高斯光束通过湍流大气传输后的光斑畸变情况；然后利用M atlab软件对相位屏及单束、多束半导体激光光束通过相位屏后的光斑光强分布进行仿真，并采用不均匀度指标对远场光束质量进行评价；最后指出多光束并合方法是抑制大气湍流效应影响的有效方法，对构建激光主动照明成像系统具有指导意义。

%This paper mainly simulates the irradiance distribution changes of laser beam through the atmosphere .First ,it uses Zernike polynomial to produce a random phase screen and analyzes the spot changes through atmospheric transmission ,then uses Matlab software to simulate the random phase screen and the spot changes through the atmosphere transmission ,and analyzes the spot by uni-formity ,finally gets the conclusion that the multi beam combining is a useful method to improve the effectiveness of laser atmosphere transmission ,and it is significant to construct the laser light image system .【期刊名称】《装备学院学报》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】4页(P116-119)【关键词】激光传输;大气湍流;泽尼克多项式;相位屏【作者】郭惠超;孙华燕;吴健华【作者单位】装备学院光电装备系，北京 101416;装备学院光电装备系，北京101416;92853部队【正文语种】中文【中图分类】TN241大气湍流是大气的一种重要运动形式,它的存在使大气中的动量、热量、水气和污染物的垂直和水平交换作用明显增强,远大于分子运动的交换强度。

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”。