湍流内尺度对光波起伏频谱的影响
激光大气传输光波相位不连续性问题研究进展
激光大气传输光波相位不连续性问题研究进展葛筱璐;冯晓星;范承玉【摘要】With laser beam propagating over a long distance through even weak atmospheric turbulence, significant turbulence effect might happen so that a continuous phase function does not exist in general owing to the presence of branch points in phase. Branch points could induce degradation of the performance of a standard adaptive optics system when it is used to compensate atmospheric turbulence. The generation and development, the optical properties and topological characteristics of branch point* in the atmosphere were introduced. The study of phase discontinuity of laser propagation through atmosphere was reviewed so as to provide a reference for further study of laser propagation through atmosphere and adaptive optics system.%激光在大气中长距离传输时,即使湍流很弱也会产生强湍流效应.在强湍流效应中,一个重要的问题就是光波的相位不再是连续的,相位不连续性问题会引起现有的自适应光学校正能力的降低.介绍了相位不连续点产生的机理和基本性质,阐述了激光大气传输相位不连续性问题近年来的研究进展,为激光大气传输及自适应光学校正技术研究工作的更好开展提供了参考.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2012(036)004【总页数】5页(P485-489)【关键词】大气与海洋光学;自适应光学;不连续相位;激光传输;大气湍流【作者】葛筱璐;冯晓星;范承玉【作者单位】山东理工大学理学院,淄博255049;中国科学院安徽光学精密机械研究所大气成分与光学重点实验室,合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所大气成分与光学重点实验室,合肥230031【正文语种】中文【中图分类】TN929.12;P425.2激光在湍流大气中传输时，湍流将对它产生各种效应，如光强闪烁、相位畸变、光斑扩展和漂移等，这些效应均会导致激光光束质量的严重退化，从而对跟踪、测距、光学成像、激光通讯以及激光武器等众多的激光工程应用产生不利的影响。
大气湍流中激光瑞利区间的高度效应研究_陈毓敏
SLC － Day 白天模型与 Hufnagel － Valley 白天模 型在高于 3． 5 km 时取值基本一致。 修正的 Hufnagel － Valley 夜晚模型为：
－ 54 10 h exp（ － h / 1000 ） + C2 n （ h ） = 8 ． 16 ˑ 10
! 为光束波长。 弦有关的光束参数。 波数 k = 2 π / ! ，
2 2 l 11 / 6 2 n
Greenwood 夜晚模型为： C （ h） =
[ 2． 2
ˑ 10 －13 （ h + 10 ）
－ 13
+ 4 ． 3 ˑ 10 －17 ]· （ 7）
[
( )
( ) ]·
7 /6
exp（ － h / 4000 ）
h 是传输链路海拔高度， 单位为 m。 该模型未 其中， 考虑地面附近折射率结构参数对折射率结构常数 C2 n 的影响 。 4 数值计算结果与分析 根据瑞利区间表达式、 折射率谱密度函数以及 不同的大气折射率结构常数高度模型， 可以得出瑞 利区间随传输链路高度的变化关系 ， 如图 1 所示， 其
798 2 瑞利区间 在自由空间中， 部分相干光的瑞利区间为 Z Rfree = 槡 A/B
2 β exp β ω 2 1 + 其中： A = 2 4 β exp + 1 2 2 0
激光与红外
第 46 卷
－ 14 － 2 /3 10 － 13 m － 2 /3 ， 常用值为 A = 1． 7 ˑ 10 m ； v 是垂直 于 ［5 － 6 ］
在激光理 论 中 ， 瑞利区间表示完全相干激光 束在自由空 间 中 传 输 时 无 明 显 扩 展 的 传 输 距 离 。 2002 年 ， Wolf 等把瑞利区间的概念从完全相干光 扩展到部 分 相 干 光
光在湍流大气中的传播综述
谢谢！
3. 3 激光束的扩展
湍流大气中传播的激光光斑在时刻漂移着， 如果我们长时间观测（或观察光斑的长曝 光照片），因光斑漂移引起的累加效果会 形成比瞬时光斑（短曝光光斑）大得多的 弥散斑，这通常称为长时扩展. 而湍流大气 的影响也会使激光束的瞬时光斑扩大，通 常称为短时扩展.
四 结论
大气中的湍流对激光束的影响占突出地位, 重点介绍瑞流作用下的激光的三种物理现 象即强度起伏(大气闪烁),光束漂移和扩展。 实现激光在大气中的更好应用，这些问题 是急需解决的
2.2 大气闪烁
光束强度在时间和空间上随机起伏，光强忽大忽 小，即所谓光束强度闪烁。大气闪烁就是由湍流 漩涡引起的
大气闪烁的幅度特性 由接收平面上某点光强I的 对数强度方差来表征
I2 [ln(I / I 0 )]2 4[ln(A/ A0 )]2 4 2
2 2 式中， 可通过理论计算求得，而 I 则可由
三. 激光在大气端流中的传播
激光是20 世纪最伟大的发明之一. 激光的高相 干度、高亮度、强方向性是普通光源无法比拟 的优点，它在各个学科与技术领域的应用无所 不在、与日俱增. 但当激光在大气中长距离传 播时，由于大气的影响，相干度、亮度会下降， 光束会发散、抖动，当然还有许多物理上的性 质要改变，激光的优点被大大消蚀. 因此， 要 充分发挥激光的优势，必须了解大气湍流对激 光的影响.
2.4 湍流大气中的光传播现象
当光在湍流大气中传播时，大气湍流造成的折射率的起 伏导致激光波阵面的畸变，破坏了光的相干性. 而相干性 的退化将严重削弱光的光学质量，引起光线的随机漂移、 光能量在湍流大气中的传播光束截面上的重新分布（畸 变、展宽、破碎等）、光实际传播路径长度的起伏、一 定接收面积上光强起伏等.
大气湍流对红外的影响_概述及解释说明
大气湍流对红外的影响概述及解释说明1. 引言1.1 概述大气湍流是指大气中存在的一种不规则、无序而且具有随机性的气体运动现象，其对红外辐射的传输产生了重要影响。
红外辐射在军事、航空航天、气象等领域应用广泛，因此了解大气湍流对红外辐射传输的影响机制对于优化红外成像系统的设计和提高其性能至关重要。
1.2 文章结构本文将从以下几个方面对大气湍流对红外辐射的影响进行深入研究。
首先，我们将介绍大气湍流概念及其特征，并讨论导致湍流形成的因素。
接着，我们将探讨红外辐射的基本特性以及在不同波长区域和应用领域中所具有的潜力。
然后，我们将说明红外传感器工作原理以及其在红外成像系统中的应用。
通过以上内容的铺垫，我们将详细介绍目前关于大气湍流对红外辐射影响机制研究的最新进展，包括温度涨落效应、折射率涨落效应以及散焦与模糊效应等方面，并总结当前存在的挑战和问题。
最后，我们将对现有解决方案进行分析并评估其优缺点，并展望未来研究方向和发展趋势。
1.3 目的本文旨在全面概述大气湍流对红外辐射的影响，并深入解释其影响机制。
通过对国内外相关研究成果的综述和分析，可以为红外成像系统的设计和性能提升提供参考，并为未来相关研究提出新的创新思路和方向。
2. 大气湍流概述:2.1 定义与特征:大气湍流是指在大气层中存在的一种不规则运动现象，具有随机性和不可预测性。
它是由于大气中温度、湿度、风向等因素的变化引起的。
大气湍流通常表现为空气的快速混合和乱流运动，导致空间和时间上的非均匀性。
大气湍流具有以下主要特征：- 无规则性: 大气湍流运动没有明确的周期性或规律性，其运动模式会不断变化。
- 尺度范围广: 大气湍流可以出现在非常小的尺度（例如微观颗粒周围）到非常大的尺度（例如行星尺度）之间。
- 能量耗散: 大气湍流会使空气能量从大尺度逐渐转移到小尺度，并最终以热能形式耗散掉。
2.2 影响因素:多个因素会影响大气湍流的生成和发展，其中包括：- 空间和时间上的温度差异: 温度差异会导致空气密度不均匀，从而产生湍流运动。
大气光学湍流对光电探测器性能的影响
级 [12]; 一 天
24
h
冬季
2
CH 的值略大于夏季的值,而在夜
晚时分,这种差距更为明显O 风速 Ve 一般也表现出较 强的昼夜变化特点,白天的风速略大于夜晚值,其峰 值主要出现在午后, 最小值则出现在日出前后时段O
2
对 冬 ~ 夏 季 的 CH 和 Vw 分 别 进 行 相 关 性 分 析 , 其 相 关 性 系 数 为 0.77 和 0.88, 这 表 明 海 边 大 气 光 学 湍 流 强
!0
arccos -
0
0
1-( / 0 )2 !! 0 其他
(8)
其中对于非相干成像系统,截止频率 0 =D/ 0
# 实验和计算结果
2
实验中 Cn 的测量采用自行研制的多波长激光闪 烁 仪 [10], 水 平 传 输 距 离 为 1 000 m, 光 路 高 度 约 5 m0
测 量 风 速 的 仪 器 为 加 拿 大 Campbell 公 司 的 CSAT3 超
(4)
Cn0 h 稳 定
而沿路径 L 的斜程横向相干长度 0 表示为:
(1) 探测器在地面,目标位于高度 H<向上搜索>
0=
2
1.46k sec
H
2
Cn <h>
H-h H
0
-3/5 5/3
dh
(5a)
(2) 探测器在高度 H,目标位于地面<向下搜索>
-3/5
H
5/3
!
0=
21.46k sec2Cn <h>
1 e
(6)
fit
式中: = 为函数拟合0 因此,湍流受限的分辨率为:
= turb 2 PSF=0.21 Reff !!!!!!!!!!!!!!!!!!!(7)
湍流折射率谱型对大气闪烁和相位起伏功率谱的影响
湍 流折 射 率谱 型 对 大气 闪烁 和 相 位 起 伏 功 率 谱 的 影 响
苑克娥 ， 朱文越， 饶瑞 中
（ 国科 学 院 安徽 光 学 精 密 机 械研 究 所 ，中 国科 学 院 大 气 成 分 与 光学 重 点 实 验 室 ，合 肥 ２ ０ ３ ） 中 ３ ０ １
摘
要 ： 基 于 Ｔａ ｌｒ ｙ 湍流 冻 结 假 设 理 论 ， 不 同湍 流 折 射 率谱 型条 件 下 ， 导 得 出 了光 波 闪 烁 和 相 位 起 ｏ 在 推
位频 谱 在 整 个 起 伏 频 率段 下 降 的幂 率 越 来 越 大 ； 流 内尺 度 的增 加 将 引 起 光 波 频 谱 的高 频 段 下 降 的 幂 率 越 来 湍
越 大 ； 随外 尺 度 的减 小 ， 而 闪烁 频 谱 低 频 段 的振 幅减 小 ， 种 影 响在 大 口径 接 收 时 较 为 明显 ， 位 谱 的低 频 段 幂 这 相
率减小 。
关 键 词 ： 大 气 湍 流 ； 光 波 起 伏频 谱 ； 折 射 率标 度 指 数 ； 内 尺度 ； 外 尺度
中图 分 类 号 ： Ｐ ２ 。 ４７１ 文 献 标 志码 ： Ａ ｄ ｉ １ ． ７ ８ ＨＰ Ｂ ０ ０ ２ ７ １ ６ ｏ： ０ ３ ８ ／ Ｉ ２ １ ２ ０ ． ４ ２ Ｐ
率的下 降满足 一８ ３幂率 。饶瑞 中等利用 数 值计 算方 法 ， 算 了考 虑探 测器 接 收 口径 以及 湍 流 内尺度 时 闪烁 ／ 计
频谱高频 段 的复杂形状 ， 讨论 了实验结 果与 理论结 果存在 差异 的可能原 因 ， 指 出湍流折射 率谱 型是造成 这一 并
差异 的主 要原 因之一Ｌ Ｊ ７ 。然 而对 于非 Ｋｏｍｏ ｏｏ ｌ ｇ ｒ ｖ谱 型 ， 其 考虑 湍流 内外 尺 度 时 的折 射率 谱 型 条件 下 ， 尤 闪 烁 和相位起伏 频谱 的理论 分析却 鲜见详 细报道 。为此 ， 于孔 径接 收下 平 面波 的对数 振 幅 和相 位起 伏 的相 关 基 函数 ， 推导得 出 了不 同折射 率谱 型条件下 闪烁 和相位起 伏 频谱 的解 析表 达式 ， 而讨 论 了折 射率 标 度指 数 、 进 内
第四章 光在湍流大气中的传输时光强起伏分析
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”。
面向空间光通信湍流抑制的光场调控技术研究-概述说明以及解释
面向空间光通信湍流抑制的光场调控技术研究-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述随着信息传输的需求不断增长，空间光通信作为一种高速、高容量的通信方式受到了广泛关注。
然而，由于大气湍流的存在，空间光通信在实际应用中面临着严峻的挑战。
湍流是由于大气中的不均匀加热和不稳定的气流引起的空间内的大尺度扰动。
这些湍流对光信号的传输会引起相位畸变、强度衰减以及光束传播方向的扰动，从而导致光通信系统的性能大幅下降。
为了解决湍流对空间光通信的影响，光场调控技术应运而生。
光场调控技术通过控制光信号的相位、幅度和波前分布，能够抑制湍流带来的光学畸变，并实现稳定的光通信传输。
本文将重点研究面向湍流抑制的光场调控技术。
首先，我们将介绍光场调控技术的基本原理和方法。
然后，我们将探讨空间光通信在湍流环境下所面临的挑战，包括光束衰减、相位畸变和指向误差等问题。
最后，我们将讨论针对这些挑战的光场调控技术的优势和应用前景。
本研究的目的在于提出一种针对湍流抑制的光场调控技术，并探讨其在空间光通信领域的应用前景。
通过对光场调控技术的研究和应用，我们期望能够有效地提升空间光通信系统在湍流环境下的传输性能和稳定性，为实现高速、高容量的空间光通信提供有力支撑。
1.2文章结构1.2 文章结构本文共分为三个主要部分，分别是引言、正文和结论。
引言部分主要介绍了本文的研究背景和意义，对光场调控技术在面向空间光通信湍流抑制方面的应用进行了简要介绍，并概述了文章的结构。
正文部分将详细介绍光场调控技术的基本原理和方法，包括光场调控技术的介绍，空间光通信所面临的挑战以及湍流对光通信的影响。
在介绍光场调控技术时，将着重探讨其在湍流抑制方面的应用，包括传统调制方法、自适应光学方法等。
在讨论空间光通信的挑战时，将涵盖大气湍流、自由空间传输的信道特性等。
在探讨湍流对光通信的影响时，将重点分析湍流对信号传输过程中的信号损失、相位畸变等方面的影响。
结论部分将总结本文的主要内容，重点阐述面向湍流抑制的光场调控技术的优势和应用前景，并对未来的研究方向提出展望。
大气湍流对激光通信系统误码率影响的研究
大气湍流对激光通信系统误码率影响的研究王德飞;楚振峰;任正雷;李广东【摘要】Based on Kolmogorov and Rytov's theory model and considering the effect of turbulence intensity on the performance of free space laser communication,a modified theory model used to depict the bit errorrate(BER) in beth weak and medium turbulence conditions is obtained, the influence of turbulent intensity and wavelength on BER in communication system is also simulated. It is shown that in medium turbulence field, the influence of BER is very obvious compared with weak turbulence. The system BER increases rapidly with the increase of the propagation distanee and trends to saturation. With system's BER below 10 -9 ,the effective communication range in the weak atmosphere turbulence will be greater than that in the medium turbulence regime. Under a certain intensity of turbulence the longer the wavelength is adopted, the better the system performance is. The analytical results can be used to improve the performance of laser communication system.%基于Kolmogorov和Rytov 的大气湍流理论模型,考虑到大气湍流引起的强度闪烁对激光通信系统性能的影响,得到了用于描述强、弱湍流条件下误码率的理论模型,数值模拟了湍流强弱和激光波长对通信系统误码率的影响.结果表明:中强湍流区对信噪比的影响明显大于弱湍流区,随着传输距离的增加,系统的误码率迅速增大并最终趋于饱和;当系统误码率低于10<'-9>时,弱湍流区的有效通信距离远大于中强湍流区.同时,当湍流强度一定时,激光的波长越长对改善系误码率越有利,对工程上提高激光通信的质量具有一定的参考价值.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2011(041)004【总页数】4页(P390-393)【关键词】激光通信;大气湍流;误码率;信噪比【作者】王德飞;楚振峰;任正雷;李广东【作者单位】中国人民解放军63889部队,河南,盂州,454750;中国人民解放军63889部队,河南,盂州,454750;中国人民解放军63889部队,河南,盂州,454750;中国人民解放军63893部队,河南,洛阳,471003【正文语种】中文【中图分类】TN911.14;TN929.12自由空间激光通信技术是以激光束为信息载体，在大气信道中进行信息传递的一种通信方式。
大气湍流参数对图像退化效果影响的研究
大气湍流参数对图像退化效果影响的研究邹皓;李清瑶;赵群;王建颖;刘智超;杨进华【摘要】对远处目标进行观测时,大气湍流是影响成像质量的主要因素,使得观测到的目标图像是严重抖动和模糊的.研究几种大气相关参数对图像退化的影响,总结了影响图像退化的主要的大气湍流相关参数,对退化图像的特征进行了分析.采用包含湍流内外尺度影响的波结构函数、折射率谱以及成像系统退化函数的改进的Kolmogorov谱湍流退化模型,该模型引入更完整的先验约束条件,更接近于大气湍流的物理特性.通过该退化模型对大气湍流相关参数进行仿真研究,对图像退化进行理论描述,总结了对图像退化影响的主要的大气相关参数.对进行湍流相关参数的测量和湍流退化图像校正的复原算法的研究具有重要意义.实验结果表明大气相干长度和格林伍德频率是影响图像退化主要的大气湍流相关参数.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(041)004【总页数】5页(P95-99)【关键词】大气湍流;图像退化;大气相干长度;格林伍德频率【作者】邹皓;李清瑶;赵群;王建颖;刘智超;杨进华【作者单位】长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电工程学院,长春 130022【正文语种】中文【中图分类】TP391图像质量的下降，会造成有价值信息的丢失。
在遥感、天文观测、交通监控等一些情况下所获得的退化图像，如果信息丢失就会造成巨大的损失，所以有效复原退化图像是至关重要的。
其中目标通过大气湍流成像必然会受到大气湍流的影响。
在成像过程中，大气湍流随机地干扰图像成像，使成像焦平面产生像点强度分布扩散、峰值降低、图像模糊和位置偏移等气动光学效应，给目标识别带来了很大的困难。
大气湍流中的激光传输
大气湍流对激光传输的影响
1
大气闪烁（光强起伏）
定义为激光传播一定距离后，在探测器 平面上光密度在空间和时间上的变化。这 种信号的起伏是激光在传播时，沿途温度 变化引起大气折射率变化的缘故。大气信 道各部分就像棱柱和透镜，如果在湍流大 气中与光源相距一定距离处测量光的强度， 会出现光强I随时间围绕平均值<I>做随机起 伏的现象。 因为光强起伏是影响工作于大 气环境中系统性能的一个重要参量，所以 人们希望预测光强起伏的大小。光强起伏 的理论和实验研究一般主要集中在闪烁方 差和闪烁概率密度上。
1 n xcn xci n i 1
若各束光的漂移互不相关，并且假设每束光的光斑重心漂移的方差为σρ2，则n束 光叠加之后的光束漂移方差：
n 1 2 n2 n i 1
即n束漂移互不相关的光叠加后所形成的光斑重心漂移与单束光的光斑重心漂移相 比，方差减小了n倍。
多光束传输的数值模拟
大气湍流
流体的运动主要分为层流和湍流，层流属 于规则运动，湍流则属于不规则运动。大气 湍流是大气中的一种不规则的随机运动，湍 流上的每一点的压强、速度、温度等物理特 性都会随机涨落。大气湍流中空气密度的无 规则变化导致了折射率的变化，也就使光在 大气中的传播不再是线性的。
大气湍流最常发生的三个区域： 1、大气底层的边界层内 2、对流云的云体内部 3、大气对流层上部的西风急流区内
3
光束漂移
主要起因于大尺度涡旋折射率的作用。 如果在接受平面上，取一个足够 短的观察时间，我们可以看到一个直径为ρs的被加宽的光斑被折射而偏离 了一个距离ρc。
接受平面上则会观察到一个均方直径为ρL2=ρs2+ρc2的大光斑。称ρs为短期平均 光斑半径，ρL为长期光斑半径，ρc为平均束漂移量。
大气湍流对激光传输的影响_武琳
第38卷 第10期 激光与红外Vol .38,No .10 2008年10月 LASER & I N FRARE DOct ober,2008 文章编号:100125078(2008)1020974204・激光技术与应用・大气湍流对激光传输的影响武 琳,应家驹,耿 彪(军械工程学院光学与电子工程系,河北石家庄050003)摘 要:为了研究大气湍流对激光传输的影响,以大气湍流的激光传输效应为基础,建立了激光到达接收面的光强分布模型。
模型考虑了折射率结构常数、传输距离、发射面和接收面孔径以及湍流引起的光束展宽等参数,分析这些参数对接收面光强分布的影响,以此研究大气湍流对激光传输的影响,并提出降低湍流影响采取的措施。
关键词:大气湍流;激光传输;光强分布中图分类号:P401;P407.5 文献标识码:AEffect on Laser Propagati on i n the Atmospher i c TurbulenceWU L in,YING J ia 2ju,GENG B iao(Depart m ent of Op tics&Electrical Engineering,O rdnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China )Abstract:I n order t o study the effect on laser p r opagati on in the at m os pheric turbulence,the model of intensity distri 2buti on on the receiver p lane was derived based on laser p r opagati on in the at m os pheric turbulence .And the para meters like structural constant of at m os phere refracti on coefficient,p r opagati on distance,aperture of trans m itter and receiver p lane,and extended area caused by at m os pheric turbulence were analyzed which i m pact on laser intensity distributi on .This research focused on the effect on laser p r opagati on in the at m os pheric turbulence and p r oposes s ome methods t o restrain the influence of turbulence .Key words:at m os pheric turbulence;laser p r opagati on;intensity distributi on1 引 言大气湍流是自由空间光传输所面临的一个重要问题。
大气湍流对部分相干平顶高斯光束的影响
p
H SH ( j $x , l $y ) =
p = 1 n= - 1m= - 1
E E E [ a( n, m, p ) +
p
1
1
ib( n, m, p ) ] exp [ 2Pi( pj n + lm )] p 3Nx 3Ny
( 15)
式中 : a( n, m, p ) 和 b( n, m, p ) 是平均值为 0 的高斯随机数, 其方差为 〈 a2 ( n, m, p )〉= 〈 b2 ( n, m, p )〉 = $k xp $k yp 5 H( n $k xp , m $k yp ) 式中 : $k xp = $k x / 3 , $k yp = $k y / 3 。把式( 12) 和 ( 16) 相应值相加得出最终相屏上的相位值
[ 5]
1
部分相干平顶高斯光束的模分解
激光的相干性包括其空间相干性和时间相干性, 本文将就光束的空间相干性问题进行探讨。光束的空间
相干性和它的方向性 ( 用光束的发散角描述) 紧密联系。众所周知, 只要可饱和增益介质的存在, 在激光器中就 会导致许多横模同时振荡。不同模式的光波场是非相干的[ 2 ] 。 多模光学谐振腔输出的光束可由模式间不相干的厄米 - 高斯光束或拉盖尔 - 高斯光束基底叠加而成。由于 作为基底光束的模式间相互独立, 从而导致了所叠加的光束为部分相干光束。因而部分相干平顶高斯光束可 分解为厄米 - 高斯光束的叠加。 设部分相干平顶高斯光束的光强分布为 [ 1] I N ( x , y) = I 0 ex p[ - N +2 1 ( x 2 + y 2 ) ] E 1 [ N +2 1 x 2 ] n E 1 [ N +2 1 y 2 ] m ( 1) w0 n= 0 n! w0 m = 0 m! w0 式中 : I 0 为常数 ; N 和 w 0 分别为部分相干平顶高斯光束的阶数和束腰半径。令其分解为厄米 - 高斯光束的叠 加, 形式如下 IN (x, y) =
大气湍流尺度和强度对到达角起伏的影响
第35卷，增刊红外与激光工程2006年l o月V01．35SuD pl em％t I n舳把d锄d L舔盯En2i n∞r i ng O ct．2006大气湍流尺度和强度对到达角起伏的影响江飞1，钟晓春1，荣健2(1．西南交通大学理学院，四川成都61003l；2．电子科技大学物理电子学院，四川成都610054)摘要：考虑到光束通过大气时受到大气湍流的影响，，理论上分析了到达角起伏的原因，通过利用马尔种夫和平均强度的平方近似所求得到达角起伏公式，采用变形谱V on K a渤aJl所得出的波结构函数D(p，z)，得‘出到达角起伏在考虑湍流内外尺度和强度影响下的到达角方差表达式。
并在垂程方向上分析得出到达角方差随￡增大而增大，在小于250m范围内，仅考虑湍流强度与考虑了湍流尺度和强度的影响相比，两者较接近，大于250m以后，考虑了湍流尺度和强度的影响比仅考虑湍流强度影响的大．关键词：湍流内外尺度；相位结构函数；到达角起伏；湍流结构常数；湍流强度中图分类号：T N929．12文献标识码：A文章编号：1007—2276(2006)增A．0437．05E f f ect of at m os pher i c t ur bul enc e on angl e of ar r i V al nuct uat i onJ认N G Fei l，ZH O N G X i ao．chunl，R O N G Ji觚2(1．S ch ool of Sc j ence，Sout hw es t J i aot o ng U niV er s i ty，C h cngdu610031，Ch i n a；2．Sc hool of P hys j ca】Elcct m n j cs，U ni v c硌时of El cct r on i c Sci en∞锄d№l IIlol ogy of C h i I l a’C h∞gdu610054，Cl I im)A bs t r act：Cons i der i ng tl l e i Il nuence of t he annos p her i c t ur bul ence w h e n a be锄of l igl l tgoes t11r ougl l t11ea仃nospher e，t her e嬲on of a n91e of ar r i V al(A O A)nuct uat i on is a Il al yze d．B y use of t he f o彻ul a of觚gl e of a币V al (A O A)nuct I l at i on under t he s uppos i t i ons of M ar koV m ndom process and t he appr ox i m at e s qu ar e of aV el．age i Il t ensi t y，觚d t he w ave s t m ct ur e如nct i on nl a t us es V r on K ann锄一s pect nlm，a uni V e rSal f0瑚ul a of ang l eof枷val fl uc t uat i on vari ance《under tl l e e丘’ec ts of t ur bul e nt sc al e aI I d i I l t e nsi妙i s got．T hen at t he V eni cal w ay，nl e con cl us i o ns ar e dr a w n t ha t aI l gl e of ar r i V a l nuct uat i on V ari an ce《augm ent s w i t h t he augm en协t i on of t he di st锄ce犯)，a11d oV er250m et er s，t he r es ul t of aI l gl e of ar r i V a l nuct l l at i on V撕锄ce《w hi ch c ons i de rs of t he ef r ec t of t ur bul e nt s cal e柚d i nt ens i t y is gre at er t h锄t t l at of only co ns i d er i n g t ur bul e nt i ntens i劬butⅡley ar e al I I l ost bel ow250m et e r s．K ey w or ds：T U旷bul ent s cal es；Ph舔e s仃ud=ur e f hn ct i on；A ng l e of a耐V al f luctI l ati on；T u帕ul朗t i l l t饥s时O引言大气湍流运动起因于太阳辐射和各种气象因素所产生的大气温度的微小随机变化(<l℃)而导致大气风收穑日期；2006-07．23基金项目：国家自然科学资金资助项目(60572079)作者简介：江飞(1980-)，男，江西九江人。
湍流大气中涡旋光束拓扑荷对焦面光强的影响
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)。
大气湍流对激光信号影响的数值模拟
大气湍流对激光信号影响的数值模拟朱耀麟;宋苗【摘要】为了分析大气湍流对传输在其中的激光信号的影响,依据随机信号与随机过程的相关理论,推导出无线激光通信系统的信噪比(SNR)、误码率(BER)的计算公式,探讨闪烁指数、大气结构常数以及激光波长对信噪比、误码率的影响,并且对信噪比和误码率在不同大气结构常数、不同激光波长下随传输距离的变化进行了数值模拟.结果表明:弱起伏条件下,闪烁指数的增大会导致通信质量的降低;大气湍流对激光通信系统的信噪比和误码率都有显著影响,对比不同激光波长对系统的影响发现,选用长波长激光信号可以增加信号传输的有效距离,抑制系统误码率的增长,改善无线激光通信系统的通信质量.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2013(043)011【总页数】5页(P1268-1272)【关键词】无线激光通信;大气湍流;闪烁指数;信噪比;误码率【作者】朱耀麟;宋苗【作者单位】西安工程大学电子信息学院,陕西西安710048;西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048;西安工程大学电子信息学院,陕西西安710048【正文语种】中文【中图分类】TN929.12无线激光通信作为光通信技术的一种重要通信方式，是以激光光波作为载波，大气作为传输介质的通信系统。
激光在大气中传输时由于受到大气湍流的影响，激光束的波前发生随机起伏，产生光强闪烁，光束扩展、弯曲以及光斑漂移等大气湍流效应［1－2］，导致通信激光光束质量的下降，严重影响了激光通信系统的稳定性和可靠性，造成通信质量的下降，阻碍了无线激光通信的实际应用。
关于大气湍流对激光通信影响［3－4］的研究之前大多集中于讨论大气闪烁变化情况对激光传输的影响，研究数据也都集中于讨论光强起伏的分布情况，关于闪烁指数、大气结构常数和激光波长对系统信噪比和误码率影响的研究不多，为了更明确了解大气湍流效应对传输在其中的激光信号质量的影响，本文通过对信噪比和误码率这两个衡量通信系统质量的重要参量进行数值模拟，研究两个参量受大气湍流影响的变化，分析了光信号在湍流中传输时所受到的影响，探索了影响通信质量的因素，从而为提高激光通信系统的通信质量提供理论依据。
湍流尺度对流体流动的影响分析
湍流尺度对流体流动的影响分析引言湍流是流体力学中不可避免的现象，广泛存在于自然界和工程实践中。
湍流尺度是指湍流中涡旋的大小和时间尺度，对流体流动具有重要影响。
本文将对湍流尺度对流体流动的影响进行分析，探讨湍流尺度对流体流动的作用机理、影响因素以及其在实际应用中的意义。
湍流尺度对流体流动的作用机理湍流尺度对流体流动的作用机理主要包括以下几个方面：1.增加流动阻力：大尺度的湍流涡旋会增加流动的阻力，使流体流动更为剧烈而不稳定。
2.提高混合效率：湍流尺度较小的涡旋会促进流体的混合，使不同性质的流体快速混合，提高传质、传热效率。
3.产生剪切和摩擦力：湍流中湍动涡旋的强烈相互作用会产生较大的剪切力和摩擦力，对流体产生剧烈的扰动和变形。
4.影响流体输运：湍流尺度对流体输运具有重要影响，尺度较大的湍流涡旋会快速输送和扩散流体，尺度较小的湍流涡旋则会延长流体的滞留时间。
湍流尺度的影响因素湍流尺度受多种因素的影响，主要包括以下几个方面：1.流体粘性：流体粘性是决定湍流尺度的重要因素。
粘性较小的流体，湍流尺度较大；粘性较大的流体，湍流尺度较小。
例如，在水中，湍流尺度较大，可见的湍流涡旋直径在几毫米到几米之间；而在空气中，湍流尺度较小，可见的湍流涡旋直径只有几毫米到几厘米。
2.流体速度：流体速度也是影响湍流尺度的重要因素。
流体速度越大，湍流尺度会越小。
这是因为在较高速度下，流体更容易产生剧烈的湍动。
3.涡旋强度：涡旋强度是湍流尺度的重要参量。
涡旋强度越大，湍流尺度越小。
涡旋强度描述了湍流涡旋的能量级别，影响湍流的剧烈程度和流体的混合程度。
4.流动条件：流动条件也会对湍流尺度产生影响。
例如，在较粗糙的管道中，流体流动更加剧烈，湍流尺度较小；而在光滑的管道中，流体流动相对较为稳定，湍流尺度较大。
湍流尺度对流体流动的实际意义湍流尺度对流体流动具有重要的实际意义，主要体现在以下几个方面：1.工程设计优化：了解湍流尺度对流体流动的影响，可以在工程设计中优化流体流动条件，减少流动阻力，提高混合效率，提高工艺效益。
关于抑制大气湍流对鬼成像的影响研究
关于抑制大气湍流对鬼成像的影响研究杨华;李永强;郑芝芳【摘要】Ghost imaging is a technique that forms an image of an object by measuring two correlated optical fields. The path including the object is usually called ＇signal arm＇ , and the other one is named ＇idler arm＇This paper is based on Orbital Angular Momentum （OAM） of quantum imaging. First, we introduce the effect of turbulence on ghost imaging, and then we use error correction of coding to restrain it. The simulation results show that we can significantly improve the quality of the imaging by using （7,4） hnear block code.%鬼成像是指由同一个光源发出的两束光，其中一束光称为信号光，通过物体照射在探测器上，另一束光称为闲置光，光路上不包含任何物体，最后对这两束光进行符合计数，通过符合测量可以得到物体的像。
本文在基于轨道角动量的量子成像理论基础上，首先介绍大气湍流对成像质量产生的影响，然后采取纠锗编码的方法来抑制湍流的影响。
本文用LabView软件进行仿真，由仿真结果表明，采用（7，4）线性分组码之后，成像质量显著提高，有效减小了湍流的影响。
【期刊名称】《电子测试》【年(卷),期】2012(000)004【总页数】5页(P19-22,37)【关键词】鬼成像;大气湍流;（7，4）线性分组码【作者】杨华;李永强;郑芝芳【作者单位】南京邮电大学通信与信息工程学院,210003;南京邮电大学通信与信息工程学院,210003;南京邮电大学通信与信息工程学院,210003【正文语种】中文【中图分类】O4;TN9290 引言量子成像，又称“鬼成像”或者关联成像，上世纪80年代，前苏联学者Klyshko 根据自发参量下转换光子对的纠缠行为，提出鬼成像方案[1]。
湍流的统计特性及对激光大气传输的影响
第4章湍流的统计特性及对激光大气传输的影响分析激光大气传输湍流效应本质上就是光在湍流大气中的传播问题。
20世纪50年代前苏联学者Tatarskii引入Kolmogorov和Obukhov发展的湍流统计理论，求解湍流大气中波传播方程，取得的一些理论结果相当好地解释了在此以前所取得的实验结果，从而奠定的光波在湍流大气中传播的理论基础。
然而，由于激光在湍流大气中的传播是一个十分复杂的随即非线性过程，特别是大气湍流存在的间歇性，对激光传输有着难以估计的影响。
4.1大气湍流的成因在大气中，任一点的大气运动速度的方向和大小无时无刻不发生着不规则变化，产生了各个大气分子团相对于大气整体平均运动的不规则运动，这种现象称为大气湍流。
通常情况下大气都处于湍流状态，大气的随机运动产生了大气湍流，由于大气湍流的存在，大气温度和折射率也时刻发生着不规则的变化。
形成大气湍流的原因大致有四点。
第一，太阳的照射造成的大气温度差，太阳辐射对地表不同地区造成加热不同;第二，地球表面对气流拉伸移位导致了风速剪切;第三，地表热辐射产生了热对流;第四，伴随着热量释放的相变过程(沉积、结晶)导致了温度和速度场变化。
图4.1形象的表述了湍流的形成。
上图是英国的物理学家形chardson描绘的湍流的一个级串模型，虽然湍流的运动很复杂，但通过上图仍能对湍流有一个形象的认识。
上图表示湍流含有尺度不同的湍涡，而各种能量从大尺度湍涡一步一步向小尺度湍涡传递。
外界的能量传递给第一级大湍涡，由于受风剪切等因素的影响，大湍涡逐渐变得不稳定形成次级小湍涡，小湍涡再次失稳后再形成更次一级的许多小湍涡。
从图中可以看出，湍涡的大小有限，最大的湍涡的尺寸大小是外尺度L，最小的湍涡是内尺度0l。
尤其重要的是，这些大大小小的湍涡没有分散存在于大气中，而是交叉重叠的存在于大气中。
4.2 Kolmogorov-Oboukhov湍流统计理论虽然迄今为止人们对湍流的基本物理机制尚还不十分清楚，但已形成几个公认的基本概念，包括随机性、涡粘性、级串、和标度率。
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关 键 词 ： 大 气 光 学 ； 大 气 湍 流 ； 闪烁 频 谱 ； 到 达 角 起 伏频 谱 ； 湍 流 内 尺 度
中图 分 类 号 ： ＴＮ２ ４ 文 献 标 志 码 ： Ａ ｄ ｉ１ ． ７ ８ ＨＰ Ｂ２ １ ２ １ ． ２ ６ ｏ ：０ ３ ８ ／ ＬＰ ０ ０ ２ ０ ２ ７
光波 大气起 伏 的时间频谱 是描述 光波 大气传输 湍流 效应 的重 要参 量 之一 ， 映 了光强 和 相位 起伏 随 时 间 反 频 率的分 布特性 ， 对在大 气 中应用 的各种 光学 系统 ， 如光通 讯 系统 、 相位 校 正系 统 和光学 跟 踪 系统 等具 有重 要 的影 响ｌ ］ ｌ 。理论 研究表 明 ： Ｋｏｍｏ ｏｏ 湍 流谱和 点接受 条件下 ， ｌ 在 ｌ ｇｒｖ 对数 光强起 伏频谱 分 为 中等在综 合考 虑整 个湍流谱对 光波起 伏频 谱影 响的情况 下 ， 用数 值计算 方法 ， 出了有限湍 流 内 ７ 利 给
尺度 时光 波起 伏 的频谱 特征ｌ 。然而 由于湍流 介质本身 的复杂 性 ， ８ 大气参 数 的 多变 性 和大 气 中实 验条 件 的不 可控 性 ， 流内尺度 对光 波起伏频 谱影 响的规律 性实验 研究却 鲜见 详细报 道 。 湍 基 于实验 室模拟 大气湍 流所具有 的较好 的稳 定性 和可控性 ［ ， ９ 本文 利用 大气 湍流模拟 箱来形 成湍 流 ， 通 ］ 并 过 调节箱 内风 速来改变 光波传 输路径 上 的湍 流 内尺度 。在对传 输光波 的光 强闪烁 和到达 角起伏 进行测 量 的同 时， 通过反 演计算 得到 了箱 内传 输路径 上 的湍 流 内尺 度大 小 ， 而对不 同湍流 内尺度 情况 下光波对 数光 强和到 进 达角起 伏 的时间功率 谱进 行 了分析 。
个区间 。在低频 段 的主要部分 频谱呈 常数 ， 在高频 段 的大 部分 范围 ， 谱呈 一８ ８指数 变化 关 系 。而相位 起伏 频 ／ 频 谱在低 频段和 高频段 都具有 一８ ３指数 变化关 系。 。 ／ 。
但 实 际 情 况 下 大 气 湍 流 的 内 尺 度 并 不 为 零 ， 接 收 器 口径 也 是 有 限 的 ， 此 很 多 实 验 结 果 与 上 述 理 论 结 果 且 因
存在着 差异 。针对 这一类 问题 ， Ａ． ｌｒ 究 了孔 径接 收的 Ｋｏｍｏ ｏｏ Ｇ． Ｔｙｅ 研 ｌ ｇ ｒｖ湍 流畸变 波前 中整 体倾 斜像 差 的时 间特性 ， 出波前整 体倾斜 频谱 在 低 频 段符 合 ～２ ８指数 变 化 规 律 ， 高频 段 符 合 一 １ ／ 指 ／ 在 １ ３指数 变 化 规 律 ］ 。潘锋 等对孔 径接 收 的 光 波 闪烁 频 谱 进 行 了理 论 和 实 验 研 究 ， 出 高频 段 应 服 从 一１ ／ 指 １３指 数 变 化 关
第 ２ ２卷 第 １ ０期
２１ ０ ０年 ｌ ０月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｈ ＰＯＷ ＥＲ ＩＡ ＳＥＲ ＡＮ Ｄ ＰＡ ＲＴ Ｉ ＬＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ Ｉ Ｇ Ｃ：
Ｖ ｏ ． ２，Ｎ ｏ ０ １２ ．１
Ｏ ｃ ．， ２ １ ｔ Ｏ０
文 章 编 号 ： １ ０ — ３ ２ ２ １ ） ０２ ７ —５ ０ １４ ２ （ ０ ０ １ ～ ２ ６０
式中： ａ和 分别 为水平 和竖直 方 向上 的光波 到达角 ； Ｃ 为折 射率结 构 常数 ； … ＞ （ 表示 统计 平均 ； Ｌ是光 波传 输
路 径长度 ； ｌ 。为湍流 内尺度 。
而 光 强 起 伏 的 归 一 化 方 差 为
一
（ 。 一 ＜ 。 ／ ＞ ＜ ＞ ＞ ） ＜ 。
（ ） ２
式中： 为光 强 。当菲涅耳 尺度远 小于 湍流 内尺 度时 ， 强起 伏的归 一化 方差为 光
摘 要 ： 在 不 同湍 流 内尺 度情 况 下 ， 大气 湍 流 引起 的光 波 光 强 闪 烁 和 到达 角 起 伏 的 时 问 频谱 特 征进 行 对
了实 验 研 究 。 由 于 实际 大 气 湍 流 的 复 杂 性 和不 可 控 性 ， 用 大 气 湍 流 模 拟 箱 来 生 成 具 有 不 同 内尺 度 的 大 气 湍 利 流 实 验 环 境 。 利用 位 置 敏 感 探 测 器 对 光 波 的光 强 闪烁 和 到 达 角 起 伏 进 行 了 同时 测 量 ， 反 演 得 到 了 光 传 输 路 并 径 上 的 湍 流 内尺 度 。实 验 结 果 显示 ： 流 内 尺度 为 ２７ ５０ｍｍ， 应 同 一 湍 流 内尺 度 ， 湍 ． ～ ． 对 闪烁 频 谱 和 到 达 角 起 伏频 谱 在 高频 段 以 相 同 的 幂 指数 关 系下 降 ， 指 数 的绝 对 值 与 湍 流 内 尺度 的大 小 呈 线 性 关 系 ， 着 内尺 度 的 增 幂 随
湍 流 内尺 度 对 光 波 起 伏 频 谱 的 影 响
李 岩 ， 强希文 ， 宗 飞 ， 赵军卫 ， 韩 燕 ， 胡月宏 ， 冯建伟
（ ．解 放 军 ６ ６ ５ 队 。 鲁 木 齐 ８ １０ ； ２ 】 ３５ 部 乌 ４ ０ ．西安 交 通 大 学 电 子 与信 息 工 程 学 院 ，西安 ７０ ４ ） ７ １０ ９
ｌ 湍 流 内尺 度 测 量原 理
经局地 均匀且 各 向同性湍 流传输 的平 面光波 ， 在满 足 几何 光 学近 似 的条 件 下 ， Ｌ《 踞／ ， 中 ， 即 ａ其 为 光波 波长 ， 其到 达角起 伏方差 为
（ ａ ）一 ＜ ＞＝ ３ ２ Ｃ Ｌ ７ ＝ ． ８ ￣ ｌ㈠ ＝ （） １