阵列光束在湍流大气中的传输及目标散射回波特性
浅议大气湍流对无线光通信系统的影响
浅议大气湍流对无线光通信系统的影响摘要：当激光波束通过大气湍流时，大气湍流效应造成了光束漂移、强度起伏，光束扩展和像点抖动等现象，导致相干性退化削弱激光通信的质量，从而破坏了激光的相干性。
文章介绍了大气湍流的形成及基本特性，对强度起伏、光束漂移及扩展与到达角起伏进行了分析，并通过研究分析穿过大气湍流后激光波束的变化特征，将会对无线光通信的发展具有十分重要的实际意义。
关键词:大气湍流光束漂移光束扩展强度起伏到达角起伏自激光问世以来，具有保密性好，抗干扰能力强，信息容量大，传输率高，系统尺寸小，重量轻，建造和维护经费低，无需频率许可证等优点。
在通信、雷达、测距、遥感和检测等方面的大量应用有力地促进了无线光通信等方面的研究。
同时，激光特有的高强度、高单色性、高相干性和高方向性诸多特性，使它成为空间通信最理想的载体，因为它增益更高、速度更快、抗干扰性更强和保密性更好，同时容量更大、波束更窄。
然而，在许多使用激光工作的系统，其性能会受到大气的影响，激光的传输介质包含了长距离的大气，如自由空间光通信、激光雷达、激光测距等，其中湍流效应是对激光大气传输影响最大的因素之一。
由于大气湍流引入的相位扰动，光束会产生展宽和漂移，光场的时－空相干性受到干扰甚至破坏；由于大气湍流的存在，当激光穿过其中时，会产生闪烁现象，光场强度分布也会发生起伏，大气折射率会发生微小的起伏。
这些效应会削弱光束质量，本文具体分析了随机大气信道湍流效应的各种影响因素，为避免影响自由空间光通信系统、激光雷达系统、激光测距系统的性能，提出了一些具有实用价值的建议，将会对提高大气光学系统的性能有实际的意义。
1 大气湍流效应大气温度的随机变化引起大气密度的随机变化，人类活动和太阳辐照等因素将引起大气微小温度的随机变化，从而形成大气的湍流，它是大气折射率导致的随机变化。
这些变化使湍流大气中传输光束的波前也将作随机起伏，它们的变化的累积效应导致折射率轮廓的明显不均匀性，由此引起光束漂移和扩展，强度起伏和像点抖动等一系列光传输的大气湍流效应。
大气湍流中的激光传输
使用适应性强的接收器
要点一
总结词
使用适应性强的接收器可以捕获更多信号，降低噪声和干 扰。
要点二
详细描述
在湍流大气中，光束的形状和强度可能会快速变化。因此 ，使用适应性强的接收器非常重要。这种接收器能够快速 响应光束的变化，并捕获更多的信号能量。此外，接收器 还应具有较低的噪声和干扰水平，以提高信号检测的准确 性。通过结合适应性强的接收器和适当的信号处理技术， 可以进一步改善激光传输的性能，提高通信和探测系统的 可靠性。
激光遥感技术能够实现高分辨率、高精度的目标成像，为地理信 息获取、资源调查等领域提供支持。
穿透性强
激光的波长较短，能够穿透一定厚度的云层和植被，因此在气象预 报、森林防火等领域有广泛应用。
实时监测
激光遥感技术能够实现实时、动态的目标监测，为灾害预警、环境 保护等领域提供及时的信息支持。
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大气湍流的特性
总结词
大气湍流的特性包括随机性、非线性和尺度变化等。
详细描述
大气湍流的随机性表现在流场中各点的速度和方向都是随机的，无法预测下一个时刻的状态。非线性则是指湍流 中各种物理量之间的相互作用是非线性的，导致流场的复杂性和混沌性。此外，大气湍流还具有尺度变化的特性， 从小尺度到大气边界层，湍流的作用范围广泛。
04
大气湍流中激光传输的改善方 法
提高激光功率
总结词
提高激光功率可以增强信号强度，减少 因大气湍流引起的信号衰减。
VS
详细描述
通过使用更高功率的激光器，可以增加信 号的能量，从而提高在湍流大气中传输的 信号强度。这有助于克服湍流引起的光束 漂移和扩展，降低误码率，提高通信和探 测系统的性能。
优化光学系统设计
电磁波的散射和吸收特性
电磁波的散射和吸收特性电磁波是一种横波，是由电场和磁场交替变化而产生的。
它在空间中传播时会遇到各种物体，其散射和吸收特性会受到这些物体的影响。
本文将探讨电磁波在散射和吸收过程中的特性，并讨论其在实际应用中的一些重要方面。
首先，电磁波在物体表面的散射过程中会发生波长变化。
当电磁波遇到一个物体时，它会被物体表面的微小颗粒散射。
这种散射过程会导致电磁波的波长发生变化，即经过散射后的电磁波的波长会比入射时的波长要长。
这是因为散射过程中，电磁波与物体表面微小颗粒的相互作用使其频率增加，而波速保持不变，所以波长增加。
其次，电磁波在物体内部的吸收过程中会发生能量损耗。
当电磁波通过一个介质时，它会与介质内的分子或原子产生相互作用。
这种相互作用会导致电磁波的能量被转化为介质内的热能，从而发生能量损耗。
这种吸收过程取决于电磁波的频率和介质的性质。
一般情况下，介质对不同频率的电磁波的吸收程度不同，即不同频率的电磁波在介质中传播的距离会因吸收而有所差异。
此外，电磁波的散射和吸收特性还与物体的尺寸和形状有关。
对于尺寸远大于电磁波波长的物体，电磁波的散射和吸收特性较为复杂，涉及多种散射模式。
而对于尺寸远小于电磁波波长的物体，可以简化为点状或球状散射。
此外，不同形状的物体对电磁波的散射和吸收特性也不同。
例如，棱柱形状的物体在某些角度下会产生明显的绕射效应，从而导致散射特性的变化。
在实际应用中，电磁波的散射和吸收特性具有重要的意义。
例如，在无线通信中，了解电磁波在不同环境中的散射和吸收特性可以帮助我们设计更好的天线和信号处理算法，提高无线信号传输质量和覆盖范围。
此外，电磁波的散射和吸收特性在遥感和雷达等领域也得到广泛应用。
通过对散射和吸收特性的研究，我们可以获得物体的形状、构成和物理特性等信息，为地质勘探、大气科学和环境监测等领域提供重要参考。
然而，电磁波的散射和吸收特性也会带来一些问题和挑战。
例如，在无线通信中，建筑物、树木和地形等障碍物会导致信号的衰减、多径效应和反射干扰，降低通信质量。
大气湍流中完全相干高斯波束与部分相干高斯-谢尔波束的传输特性
l 3.3 / l0
14
2011/12/13
国内外常见的大气湍流模型主要有: HV 21模型(强湍流情况):
2 Cn (h) 5.94 1053 (21/ 27) 2 h10eh/1000 2.7 10 16 e h/1500 1.7 10 14 e h/100
2011/12/13
18
/
图中为对波长为1.55μm， 发射端初始光束半径为1cm 的准直高斯波束进行理论计 算所得。C 110 m 由图中我们可以看出：在 Fresnel区，离轴闪烁指数 要远远大于光轴闪烁指数， 而在近区和远区，离轴闪烁 指数则会快速下降，从而接 近于光轴闪烁指数。
2011/12/13 15
大气闪烁效应实际上就是当光束直径比湍流尺度大很多时, 光束截面内包含多个湍流旋涡,每个旋涡各自对照射其上 的那部分光束独立散射和衍射,光强忽大忽小。 用光强起伏的归一化方差 (即闪烁指数)来表征强度闪烁的 强弱程度,定义
2 ( I I ) 2 I I 2
2 I 2 1 5/6
( , L) 4.42
5 1 1 2 11 5/6 2 2 2 5/12 3.86 0.40[(1 2 ) 4 ] cos[ tan ( )] 1 2 W 6 2 16
2
当考虑内、外尺度时采用Von Karman 谱进行求解得到
2 n 14 2/3
3.5 =0,l =0,L =inf
0 0
3
=W,l =0,L =inf
0 0
=0,l =1mm,L =1m
0 0
=W,l =1mm,L =1m 2.5
阵列涡旋光束大气传输特性及OAM通信性能研究
阵列涡旋光束大气传输特性及OAM通信性能研究阵列涡旋光束大气传输特性及OAM通信性能研究引言：光通信作为一种高带宽、低能耗的通信方式，受到了广泛的关注。
然而，在大气传输中，光束会受到湍流引起的相位畸变、散焦、散射等影响，从而引起光信号的衰减和失真。
为了克服这些问题，近年来，研究者们开始关注阵列涡旋光束的大气传输特性以及其在OAM（轨道角动量）通信中的应用。
一、阵列涡旋光束的产生和特性阵列涡旋光束是指由多个涡旋光束组成的光束。
涡旋光束具有自旋和轨道角动量，被广泛应用于光学显微镜、激光加工和通信等领域。
通过使用涡旋光束的阵列，可以提高光信号的容量和传输距离，从而增加通信系统的性能。
二、大气传输中的影响因素在大气传输中，湍流是导致光信号衰减和失真的主要因素之一。
湍流会引起光束的相位畸变和散焦，从而导致光信号的传输品质下降。
此外，大气中的散射和吸收等现象也会对光信号产生影响。
因此，研究大气传输中的影响因素对阵列涡旋光束的传输性能和OAM通信的效果至关重要。
三、阵列涡旋光束的大气传输特性研究为了研究阵列涡旋光束在大气传输中的特性，研究者们进行了一系列的实验和模拟。
他们观察到，在大气传输中，涡旋光束的自旋和轨道角动量会发生变化，并且受到湍流引起的相位畸变的影响。
同时，阵列涡旋光束的传输距离和传输质量也受到了湍流引起的散焦和散射的影响。
通过对这些影响因素的研究，研究者们可以更好地理解和优化阵列涡旋光束在大气传输中的性能。
四、OAM通信性能的研究基于阵列涡旋光束的OAM通信是一种新颖的通信技术，可以提供更高的数据传输速率和容量。
通过使用阵列涡旋光束，可以将多个自由度的信息编码在光信号中，从而提高通信系统的性能。
研究者们通过实验和模拟研究，发现在大气传输中，OAM 通信系统的性能会受到湍流引起的相位畸变和散焦的影响。
因此，他们提出了一系列优化方案，包括使用自适应光学元件和改进光信号解调算法等。
五、结论阵列涡旋光束的大气传输特性和OAM通信性能的研究对于光通信系统的发展具有重要意义。
目标散射特性对激光雷达回波特性的影响分析
目标散射特性对激光雷达回波特性的影响分析孙华燕;陈剑彪;周哲帅;赵延仲;单聪淼【摘要】研究目标散射特性对其激光雷达回波特性的影响是进行目标激光雷达主动成像、跟踪以及目标识别的基础.首先推导了考虑探测激光时空分布的目标激光雷达回波公式,通过3DS MAX软件建立了三种典型目标的三维模型,采用单站激光雷达BRDF模型仿真得到了理想漫反射、近似镜面反射以及粗糙表面三种情况下不同目标多角度回波峰值序列,基于此分析了目标散射特性对其激光雷达回波特性的影响,可为目标激光雷达主动探测及成像提供理论参考.%The effect of target scattering property on laser radar echo characteristics is the base of laser radar active imaging,target tracking and recognition.Firstly,considering the spatial and temporal distribution of detecting laser, the laser radar echo formula is derived.The 3D models of three typical targets are established by 3DS MAX software, and their echo peak value sequences in different angles are simulated by using the BRDF model corresponding to monostatic laser radar,then their echoes are obtained under three different surface material conditions.Based on this, the influence of target scattering property on laser radar echo characteristics is analyzed,and it can provide theoretical references for laser radar active detecting and imaging.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2018(048)005【总页数】5页(P555-559)【关键词】激光雷达;三维建模;双向反射分布函数;散射特性【作者】孙华燕;陈剑彪;周哲帅;赵延仲;单聪淼【作者单位】航天工程大学电子与光学工程系,北京 101416;航天工程大学研究生院,北京 101416;32039 部队,北京 100094;航天工程大学电子与光学工程系,北京101416;航天工程大学研究生院,北京 101416【正文语种】中文【中图分类】TN958.981 引言激光雷达目标主动探测是指通过向目标发射连续或脉冲激光束,并由光电接收系统接收目标的回波,通过对回波所携带信息的分析,提取感兴趣的目标特征的探测技术。
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”。
阵列光束在湍流大气中的传输及目标散射回波特性
阵列光束在湍流大气中的传输及目标散射回波特性激光在大气信道中传输时由于受大气湍流的影响,使到达接收机端的光信号产生光束展宽、漂移、闪烁、到达角起伏等一系列湍流效应,严重制约了激光在空间激光通信、激光雷达、激光测距和激光遥感等方面的应用。
研究表明部分相干光或阵列光束可有效降低大气湍流效应影响,因此,开展不同空间相干度的单束或阵列光束在湍流大气中的传输和目标散射特性研究具有重要意义和价值。
本文基于广义Huygens-Fresnel原理和Rytov相位结构函数二次近似方法,研究了平顶高斯光束及几种阵列光束(高斯阵列光束、高斯-谢尔模阵列光束、电磁高斯-谢尔模阵列光束)在湍流大气中的传播特性,并结合Goodman提出的高斯随机粗糙表面散射简化模型,研究了高斯-谢尔模阵列光束经粗糙面和漫反射目标散射回波的二阶统计特性。
主要研究内容包括以下几个方面：1.根据斜程传输理论及ITU-R提出的大气折射率结构常数高度模型,将Rytov方法推广应用于非Kolmogorov湍流中的斜程传输问题研究,推导了平顶高斯光束(Flattened Gaussian Beam, FGB)在斜程非Kolmogorov湍流大气中传输时的平均光强、二阶矩束宽与相对束宽以及弱起伏条件下的轴上闪烁指数表达式,数值分析了光源束腰大小、光束阶数、湍流广义指数、传输距离、传输天顶角等参量对平顶高斯光束在斜程非Colmogorov湍流大气中的传输变换特性的影响,并与高斯光束做了比较。
2.根据广义Huygens-Fresnel原理,基于大气湍流的非Kolmogorov谱,推导了高斯阵列光束在湍流大气中的二阶矩束宽表达式,并结合Rytov近似方法推导了其在弱湍流条件下的闪烁指数表达式,分析了径向半径、光束数目、广义指数及传输距离对高斯阵列光束在非Kolmogorov湍流中的扩展特性及轴上和离轴闪烁指数的影响。
3.利用Rytov相位结构函数二次近似和积分变换方法,推导了相干合成与非相干合成径向高斯-谢尔模(Gaussian Schell-Model,GSM)阵列光束的交叉谱密度函数表达式,研究了相干合成与非相干合成径向高斯-谢尔模阵列光束在湍流大气中的光束扩展和空间相干特性,并研究了非相干合成径向GSM阵列光束的光强闪烁特性。
光电子技术2.1光波在大气中的传播
I
dl
I'
大气衰减图示
传输距离L后的大气透过率（%）用T表示，应为：
I L dl T exp 0 I0
若在 传输距离L上β为常数，则有：
I T exp L I0
式中，I0和I分别为通过距离L前后的光强。
此式即为描述大气衰减的朗伯定律。
dB / km 4.343 1 / km
1、大气分子的吸收， km
（1）吸收的概念：
吸收电磁辐射是物质的普通性质，是指电磁辐射与物体 作用后，转化为物体的内能。根据吸收的强弱和随波长的变 化，吸收分为两种： ①一般吸收: 在电磁辐射的整个波段内都有吸收，且吸 收率随波长的变化几乎不变的吸收。 ②选择吸收: 在一些波段上吸收很大，而一些波段上吸 收很少，即吸收率随波长的变化有急剧变化的吸收。 任何物质对电磁辐射的吸收都由这两种吸收组成，如石 英在可见光范围内为一般吸收，在红外波段为选择吸收。
激光的大气湍流效应，实际上是指激光辐射在折射率 起伏场中传输时的效应。 湍流理论表明，大气速度、温度、折射率的统计特 性服从“2/3次方定律”
Di(r ) (i1 i2 )2 C i2r 2 / 3
(2.1-9)
通常用折射率结构常数的数值大小表征湍流强度
2 Cn 2.5 1013 强湍流： 2 弱湍流： Cn 6.4 1017 2 中等强度湍流： 2.5 1013 Cn 6.4 1017
Re Δvl /
(2.1-8)
式中， 为流体密度（kg/m3）；l为某一特征线度(m) vl为在l量级距离上运动速度的变化量(m/s)， 为流体 粘滞系数(kg/ms)。雷诺数Re是一个无量纲的数。
大气激光通信原理
大气激光通信原理
大气激光通信（Free Space Optical Communication，FSO）是一种利用激光光束在大气中传输信息的通信技术。
其原理如下：
1.激光发射器：通信系统中的发射端使用激光发射器产生一束高
功率、窄束宽的激光光束。
常用的激光器包括半导体激光器和
固体激光器。
2.光束传输：激光光束通过大气传输。
由于大气中存在各种大气
湍流和光散射现象，会对激光光束造成衰减和扩散，从而影响
传输质量。
3.接收器接收：接收端使用光学接收器接收传输过来的激光光束。
接收器通常包括一个光学透镜和光电探测器。
4.探测和解调：光电探测器将接收到的光信号转换成电信号。
随
后，对电信号进行探测和解调，以恢复出原始的信息。
需要注意的是，大气激光通信受到大气湍流、大气吸收和大气散射等因素的影响，可能会导致传输质量的下降。
因此，为了提高大气激光通信的可靠性和性能，通常会采取以下措施：
•自适应光学系统：利用自适应光学技术对激光光束进行实时调整，以适应大气湍流和传输条件的变化。
•前向纠错编码：采用前向纠错编码技术，使数据能够在传输过程中进行纠错，以增强传输的可靠性。
•光束整形：通过光学系统对激光光束进行整形，使其更加集中和稳定，减少大气散射的影响。
大气激光通信具有高带宽、免许可、抗干扰等优点，适用于需要高速、远距离、抗干扰的通信场景，例如军事通信、卫星通信、无线回传等领域。
然而，由于大气的不稳定性，大气激光通信在实际应用中仍面临一些挑战，需要通过技术手段进行优化和改进。
激光光束在大气中的传输机理研究
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。
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。
大气湍流辐射传输效应对气象雷达观测的干扰分析
大气湍流辐射传输效应对气象雷达观测的干扰分析在气象领域，雷达是一种常用的观测工具，用于检测和监测大气中的各种天气现象。
然而，气象雷达观测受到大气湍流辐射传输效应的干扰。
本文将深入探讨这种干扰现象及其对气象雷达观测的影响。
大气湍流是指大气中混杂着无数个大小不一的气流涡旋，其主要驱动力是温度和密度差异引起的对流运动。
这些湍流现象在大气中广泛存在，对气象雷达的观测结果产生着不可忽视的影响。
首先，大气湍流会导致雷达回波信号的强度和速度的随机变化。
湍流作用下，大气中的水汽和颗粒物质会形成不规则的团状结构，使得雷达信号在传播过程中不断受到散射、吸收和反射，从而引起回波信号的变强变弱。
这种随机性使得雷达观测到的天气现象的强度和运动速度呈现出多样性和不确定性。
其次，大气湍流引起的回波模糊是另一个干扰因素。
湍流作用下，气溶胶和小尺度水滴在大气中不断变动并扩散，导致雷达波束在传播过程中发生弯曲和散射。
这种波束的变形造成雷达回波信号的模糊，使得目标物体的位置和形状无法准确反映在雷达的观测图像中。
此外，大气湍流还会使得雷达的分辨率降低。
湍流现象导致回波信号在传播过程中发生了光学云层的散射和散焦，使得雷达观测到的天气现象的空间分辨率变差。
这种分辨率的下降使得雷达无法准确地定位和描述小尺度的天气现象，从而限制了对某些灾害性天气的准确预测和预警能力。
为了减轻大气湍流辐射传输效应对气象雷达观测的干扰，研究人员提出了一系列改进和修正的算法和方法。
例如，对观测信号进行时频分析，可以对湍流引起的信号变化进行有效的描述和量化。
此外，通过建立湍流模型，可以模拟和预测湍流对雷达观测的影响，进一步提高观测结果的准确性和可靠性。
综上所述，大气湍流辐射传输效应对气象雷达观测产生着显著的干扰。
理解和研究这种干扰现象对于提高天气预测和预警的准确性具有重要意义。
通过改进算法和方法，可以有效地抑制湍流引起的信号变化和回波模糊，从而提高雷达观测结果的可靠性和精度。
第三章 激光传输的大气湍流效应
3.1 大气湍流机理的研究湍流是指大气中局部温度、压力的随机变化而带来的折射率的随机变化。
湍流运动的动力学性质是由雷诺数 (Re)来衡量的，它是一个无量纲数，其定义为：Re=ρvL μ=v L ∨ （3.1）式中L 为流动的特征长度；v 为流动的特征速度；ρ为流体的密度；μ为流体的粘性系数：∨=μv 为运动粘性系数。
当由雷诺数表征的粘性流体的流动超过某一临界值时，它就从层流状态转变成一种更不规则的状态，即部分流体的速度在平均流动速度附近波动，而这些波动具有连续功率谱。
通常以涡流或涡旋形式将这些波动概念化，这些涡旋造成了流体的移动或其它特性的混合。
就大气来说，风速的湍流波动引起大气参量的混合，如温度、气溶胶或水汽。
这里成为焦点的参数是折射率，即光学湍流。
折射率的变化表现为两种形式：由于地面温度的影响，大气中温度随高度会有梯度出现，于是折射率也出现一个梯度；随位置和时间作迅速的变化，变化的频谱可达数百赫兹，变化的空间尺度可能小到毫米量级，变化的强度与天气状况和地面状况有一定的相关关系。
柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)理论即湍流的局部均匀各向同性理论(也称2/3定律)。
它是建立在下面三个假设的基础上：1) 湍流涡旋运动的随机特征是各向同性的；2) 在局部均匀各向同性区域中，流体运动仅仅由内摩擦力和惯性力决定；3) 在大雷诺数(Re)时，存在称为惯性范围的尺度区间，在此范围内，内摩擦力的影响是不重要的，因而可以略去，运动图像由惯性力决定。
其表达式为：D r （r ）=C v 2r 23⁄ l 0<r<L 0 (3.2)式中，纵向速度分量是平行于连接两个观察点的矢量r 。
常数C v 2被称作速度结构常数，它是Kolmogorov 定义的，C v 2表达式如下：C v 2=αε23⁄=2ε23⁄ （3.3）上式中ε为单位体积内起伏的能量耗散率。
当湍流出现时，首先是与流动整体特征尺度相当的巨大涡旋，它的尺度记作L 0，它相当于气流离地面的高度，L 0成为湍流的外尺度。
一维阵列涡旋光束在海面大气中的传输特性
文章编号 2097-1842（2024）02-0300-12一维阵列涡旋光束在海面大气中的传输特性侯政诚1，张明明1,2 *，白胜闯2,3，厉淑贞1，刘 俊1，胡友友1（1. 江苏科技大学 理学院, 江苏 镇江 212000；2. 浙江省光电探测材料及器件重点实验室, 浙江 宁波 315211；3. 宁波大学 高等技术研究院, 浙江 宁波 315211）摘要：相较于单涡旋光束，涡旋阵列光束能够扩充信息的传输容量，研究其传输特性对其光通信应用具有重要意义。
本文选取阶数为n 的螺旋因斯-高斯(HIG n ,n )模式，采用海上大气折射率变换的功率谱，模拟海面大气湍流。
基于相位屏法研究了一维阵列涡旋光束在海面大气湍流中光强、相位、闪烁因子和质心漂移的变化情况。
结果表明：（1）HIG n ,n 模式的闪烁因子和质心漂移标准差随湍流强度以及大气湍流内尺度的增加而增加；（2）n 为奇数的HIG n ,n 模式的闪烁因子随着阶数的增大而减小，且高于n 为偶数的HIG n ,n 模式；（3）阶数n >1的HIG n ,n 模式比LG 0,1模式具有更好的稳定性；（4）阶数越高，HIG n ,n 模式的质心漂移标准差越小。
其次，选取线性阵列涡旋光束（LAVBs ）进行对比，研究得出虽然LAVBs 比HIG 光束具有更好的传输性能，但由于HIG 光束具有独特的结构，故可适用于不同的应用场景。
最后，分析了椭圆参量和椭圆环数对HIG 模式传输的影响，结果表明适当地增大椭圆参量或椭圆环数有助于提高HIG 模式的抗湍流能力。
本文研究结果对涡旋光束的海上应用具有指导意义。
关 键 词：大气光学；螺旋因斯高斯模式；阵列涡旋光束；闪烁因子；湍流中图分类号：O436 文献标志码：A doi ：10.37188/CO.2023-0094Propagation properties of one-dimensional array vortexbeams in a marine atmosphereHOU Zheng-cheng 1，ZHANG Ming-ming 1,2 *，BAI Sheng-chuang 2,3，LI Shu-zhen 1，LIU Jun 1，HU You-you 1（1. School of Science , Jiangsu University of Science and Technology , Zhenjiang 212000, China ；2. Key Laboratory of Photoelectric Materials and Devices ofZhejiang Province , Ningbo 315211, China ；3. Advanced Technology Research Institute , Ningbo University , Ningbo 315211, China ）* Corresponding author ，E-mail : **********************.cnAbstract : Compared to a single vortex beam, vortex array beams can increase the information transmission收稿日期：2023-05-30；修订日期：2023-07-20基金项目：国家自然科学基金青年基金（No. 12104189，No. 12104190）；江苏省自然科学基金青年基金（No. BK20190953，No. BK20210874）；江苏省产学研合作项目（No. BY2020680）；江苏省高等学校自然科学研究面上项目（No. 20KJB140008）；浙江省光电探测材料及器件重点实验室开放基金（No. KLPMD2105）Supported by Youth Fund of National Natural Science Foundation of China (No. 12104189, No. 12104190);Youth Fund of Natural Science Foundation of Jiangsu Province (No. BK20190953, No. BK20210874); Jiangsu Province Industry University Research Cooperation Project (No. BY2020680); General Project of Natural Sci-ence Research in Colleges and Universities of Jiangsu Province (No. 20KJB14008); Opening Project of Key Laboratory of Photoelectric Materials and Devices of Zhejiang Province (No. KLPMD2105)第 17 卷 第 2 期中国光学（中英文）Vol. 17 No. 22024年3月Chinese OpticsMar. 2024capacity. Therefore, studying the propagation properties of vortex array beams is significant for their optical communication applications. In this paper, we select the helical Ince-Gaussian (HIG n,n) modes of order n and simulate the marine atmosphere turbulence using the power spectrum of the refractive index fluctuations in the marine atmosphere. The changes in intensity, phase, scintillation index and spot centroid wander of a one-dimensional array vortex beam in marine atmospheric turbulence have been investigated systematically by using the phase screen method. We find that (1) an increase in either the turbulence intensity or atmospheric turbulence inner scale enhances both the scintillation index and spot centroid wander standard deviation for HIG n,n modes; (2) the scintillation index of HIG n,n mode with odd n decreases with increasing mode order, and is higher than that of HIG n,n mode for even n; (3) the HIG n,n mode with order n>1 has better stability than the LG0,1 mode; and (4) the higher the mode order, the smaller the standard deviation of spot centroid wander of HIG n,n mode. In addition, we perform comparative study on the propagation performance of the linear ar-ray vortex beams (LAVBs) and HIG beams. Our study indicates that although LAVBs have better propaga-tion performance than HIG beams, the unique structures of HIG beams can be applied to various application scenarios. Finally, the effects of both the ellipticity parameter and elliptic ring number on the propagation of the HIG modes are explored and analyzed. The results show that increasing either the ellipticity parameter or elliptic ring number is beneficial to improving the anti-turbulence ability of the HIG modes. These results of-fer significant guidance for the offshore vortex beams application.Key words: atmospheric optics；helical ince-gaussian mode；array vortex beam；scintillation index；turbu-lence1 引 言涡旋光束是一种波面呈螺旋结构，中心光强为0的光束[1]。
阵列光束在湍流大气中的传输特性研究
图7径向分布GSM光束列阵在发射平 面内的空间相干度
相干度变化
(a) (b) (c) (d)
(e)
(f)
(g)
(h)
图8 径向分布GSM光束列阵在湍流大气中不同传输距离与不同光源 相干长度下的空间相干度分布
轴向光强闪烁
0.16
单束 GSM光束
0.04
GSM阵列光束，N=6 GSM阵列光束，N=10 单束基模高斯光束
2.5
3
0 0
0.5
1
1.5 2 Distance L/km
2.5
3
图9 不同数目GSM阵列光束及基模高斯光束轴向闪烁指数随传输距离L的变化
由图9可以看出，当传输距离大于0.3km时阵列光束的闪烁指数都小 于单束基模高斯光束；GSM阵列光束当L<0.7km时随着光束数目的 增加闪烁指数增大，当L>0.7km时随着光束数目的增加闪烁指数减 小，并且随着子光束数目的增加，闪烁指数减小的趋势变小。
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图2 径向分布阵列光束示意图
径向分布GSM阵列光束湍流大 气传输特性
从广义Huygens-Fresnel原理出发，利用Rytov相 位结构函数二次近似和积分变换方法，推导了径 向分布GSM阵列光束在湍流大气中的交叉谱密度 函数表达式，并对径向分布GSM阵列光束在湍流 大气中的传输特性进行详细分析。
2
-14
-2/3
Cn=10 m
1 2 3 4 5 6 7
2
-14
-2/3
0 0.1
0.6
图4 '源自1.11.618
20
图5
N
图6
r0 '
自由光激光通信 工作原理
自由光激光通信工作原理自由空间光通信（FSO）是一种利用光波在空气或真空中传输数据的无线通信技术。
而自由光激光通信则是FSO技术中的一种，它利用激光光束进行通信。
自由光激光通信的工作原理涉及到光学、通信和大气物理等多个领域，下面我将从多个角度来解释其工作原理。
首先，自由光激光通信的工作原理基于激光的传输和接收。
激光是一种高度集中的光束，具有很强的定向性和准直性，能够在空气中传输较长的距离而几乎不发生散射。
在自由光激光通信系统中，发送端通过激光器产生一束激光，并利用光学系统对其进行调制和聚焦，然后将激光束发送到接收端。
接收端的光学系统接收激光信号，并将其转换为电信号，以便在终端设备上进行处理和解码。
其次，自由光激光通信的工作原理还涉及大气传输的影响。
由于大气中存在各种各样的气体、颗粒和湍流等，这些因素会对光束的传输造成影响。
大气湍流会导致光束的折射、散射和衍射，从而引起光信号的衰减和失真。
为了克服大气传输的影响，自由光激光通信系统通常采用自适应光学技术和跟踪系统，以实时调整光束的传输路径和焦距，从而最大限度地减少大气传输对光信号的影响。
另外，自由光激光通信的工作原理还包括通信协议和数据处理。
在数据传输过程中，通信协议起着重要的作用，它规定了数据的格式、传输速率、纠错编码等，以确保数据能够准确可靠地传输。
同时，接收端的数据处理单元需要对接收到的光信号进行解调、解码和纠错，以还原原始的数据信息。
总的来说，自由光激光通信的工作原理涉及到激光的发射和接收、大气传输的影响以及数据处理等多个方面。
通过克服大气传输的影响、优化光学系统和采用高效的通信协议，自由光激光通信系统能够实现高速、高带宽、安全可靠的数据传输，因此在一些特定的场景下具有广阔的应用前景。
大气光学知识点总结大全
大气光学知识点总结大全一、大气光学基础知识1. 光的传播特性光在地球大气中的传播受多种因素影响，包括折射、散射、吸收、色散等。
这些影响因素会导致光的传播方向、强度和频谱发生变化，对于光学系统的设计和应用都具有重要意义。
2. 大气介质地球大气是光学器件的一个重要参考介质，其密度、温度、湿度等参数对光学系统的性能有着重要影响。
了解大气介质的特性，对于光学系统的设计和定位至关重要。
3. 光的散射和吸收大气中的气体、气溶胶和云等对光的散射和吸收现象在大气光学中占据着重要位置。
它们会影响光的传播路径和范围，对于气象、环境、通信等方面都有重要意义。
4. 大气透明度大气透明度是指大气对可见光的透射率，它受大气中的气体、颗粒和水汽含量等因素的影响。
了解大气透明度对于天文观测、遥感探测等有着重要的意义。
5. 大气湍流大气湍流是指大气中由温度、密度、风速等不均匀性引起的湍流运动现象。
它会导致大气中的光场发生畸变，对光学系统的分辨率和性能都具有重要影响。
二、大气光学技术与应用1. 大气光学探测技术大气光学探测技术是指利用光学方法对大气进行观测和监测的技术。
包括大气透明度测量、大气散射与吸收特性研究、大气湍流分析等。
这些技术对于气象、环境监测等领域具有重要的应用价值。
2. 望远镜大气校正技术望远镜是天文观测和遥感探测中常用的光学设备，但由于大气的影响，其分辨率和成像质量会受到影响。
大气校正技术是指利用大气光学原理对望远镜成像进行补偿和校正的技术，使得成像质量更加清晰和准确。
3. 大气折射校正技术激光通信、光电远程探测等领域需要通过大气进行信息传输，但由于大气折射效应的影响，光信号会发生偏移和扩散。
大气折射校正技术是指利用大气光学原理对光信号进行校正和补偿的技术，使得光信号传输更加可靠和稳定。
4. 大气光学遥感技术大气光学遥感技术是利用光学方法对大气成分、温度、湿度等参数进行遥感探测的技术。
包括红外遥感、紫外遥感、光谱遥感等方法，对于环境、气象、气候等领域都有着重要的应用价值。
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阵列光束在湍流大气中的传输及目标散射回波特性激光在大气信道中传输时由于受大气湍流的影响,使到达接收机端的光信号产生光束展宽、漂移、闪烁、到达角起伏等一系列湍流效应,严重制约了激光在空间激光通信、激光雷达、激光测距和激光遥感等方面的应用。
研究表明部分相干光或阵列光束可有效降低大气湍流效应影响,因此,开展不同空间相干度的单
束或阵列光束在湍流大气中的传输和目标散射特性研究具有重要意义和价值。
本文基于广义Huygens-Fresnel原理和Rytov相位结构函数二次近似方法,研究了平顶高斯光束及几种阵列光束(高斯阵列光束、高斯-谢尔模阵列光束、电磁高斯-谢尔模阵列光束)在湍流大气中的传播特性,并结合Goodman提出的高斯随机粗糙表面散射简化模型,研究了高斯-谢尔模阵列光束经粗糙面和漫反射目
标散射回波的二阶统计特性。
主要研究内容包括以下几个方面： 1.根据斜程传输理论及ITU-R提出的大气折射率结构常数高度模型,将Rytov方法推广应用于非Kolmogorov湍流中的斜程传输问题研究,推导了平顶高斯光束(Flattened Gaussian Beam, FGB)在斜程非Kolmogorov湍流大气中传输时的平均光强、二阶矩束宽与相对束宽以及弱起伏条件下的轴上闪烁指数表达式,数值分析了光源束腰大小、光束阶数、湍流广义指数、传输距离、传输天顶角等参量对平顶高斯光
束在斜程非Colmogorov湍流大气中的传输变换特性的影响,并与高斯光束做了比较。
2.根据广义Huygens-Fresnel原理,基于大气湍流的非Kolmogorov谱,推导了高斯阵列光束在湍流大气中的二阶矩束宽表达式,并结合Rytov近似方法推导了其在弱湍流条件下的闪烁指数表达式,分析了径向半径、光束数目、广义指数及传输距离对高斯阵列光束在非Kolmogorov湍流中的扩展特性及轴上和离轴闪。