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
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。
大气光通信中大气湍流影响抑制技术研究进展
第 30 卷第 6 期 2 0 09年6月
兵 工 学 报 A CT A AR MA M EN T ARI I
Vol. 30 N o. 6 Jun. 2009
大气光通信中大气湍流影响抑制技术研究进展
陈纯毅 , 杨华民, 姜会林, 冯欣, 王辉
( 长春理工大学 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室, 吉林 长春 130022)
无限制地增大 , 但其计算结果只在 R2 l < 013 范围内 有效 , 通常将此范围称为弱湍 流区。 Ryt ov 方差计 算结果虽然只适用于弱湍流区, 但是却作为湍流强 弱的某种标志而大量地出现在各种文献之中 , 而且
2 在弱湍流区 , 有 R2 I U Rl . 对于强湍流区中闪烁指数
的求解 , 分别有 Andrew s - Prokhorov 和 Churnside 渐 [ 6] 进分析模型 , 这两种渐进分析模型都建立在 Ryt ov 方差基础之上, 二者都考虑了闪烁饱和问题。最近, Andrew s 等 [ 2 ] 又在大尺度起伏调制小尺度起伏思想 的基础上 , 提出了适用于从弱至强湍流区的闪烁指 数计算模型
Abstract: At mospheric t urbulence causes t he increases of bit - error - rat e ( BER) in atmospheric opt ical communicat ion links. Mit igat ion technolog ies of turbulence eff ect s can be used to improve the perf or mance and enhance t he data - rate and communication distance of opt ical communicat ion. T he lat est mechanism researches of t urbulence eff ects on opt ical communicat ion were brief ly summarized, and t he v arious influences of turbulences on that w ere described, such as int ensit y scintillat ion, beam w ander, ang le - of arrival f luctuat ion, phase f luct uat ion, beam spreading , etc. T he development of m it igat ion technologies of turbulence eff ect s w as summarized. Based on diff erent principles, various m it igat ion technologies were described in det ail, such as large apert ure receiver, diversity, part ially - coherent beam propag at ion, temporal domain processing & t hreshold opt imizat ion, adapt ive opt ics, et c. Focusing on their principles and im pact s, various m it ig at ion technologies w ere analyzed and discussed. L astly, the fut ure research directions w ere g iven. Key words: communication; opt ical communicat ion; large apert ure; diversit y; part ially coherent beam; tem poral domain processing; adapt ive opt ics
空间光通信中的湍流抑制技术研究
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。
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。
THANK YOU
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
大气湍流下无线光通信信道性能研究
伏强度大小 ， 一般采用下式估算光强度起伏［］ ４ 为
一
１２Ｃｋ／ ｕ ． ３ ￣ ６ ／ Ｌ
（） １
式 中： 一 ２ 为波数 ； ｋ 丌 Ｌ为系统传输距离； 为大 气折射率结构常数 ， 其值与信号传输高度和大气风 速相 关 ， 般用 Ｈｕｎｇ ｌ Ｖａｌｙ模型 表示 ［］ 一 ｆａｅ— ｌ ｅ ４ 为
第 ３ 卷第 ５ １ 期 ２１ 年 １ ０１ Ｏ月
西
安
工
业
大
学
学
报
Ｖｏ． １Ｎｏ ５ １３ ． Ｏｃ． ０ １ ｔ２ １
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｉａ ｃ ｎ ｌ ｉ ｌ ｉ ｒｉ ｏ ｒ ａ ｏ ’ ｎＴｅ ｈ ｏｏ ｃ ｖ ｓ ｙ Ｘ ｇ ａ Ｕｎ ｅ ｔ
文章编 号 ： １ ７ —９ ５ ２ １ ） ５４ ３０ ６ ３９ ６ （０ １ ０ —１ —５
闪烁 ． 对于 通信 速率 ， 气 湍流 引 起 的光 信 号 衰 相 大
大气 湍流 下 无 线光 通 信 信 道性 能研 究
黄根 全
（ 北方雷 达电子科 技集团有限公 司， 安 ７Ｏ Ｏ ） 西 １ １０
摘Hale Waihona Puke 要 ： 无线光通信 中大气湍流导致光信号在传输 中产生光强起伏等现 象， 其影响成为无线
光通 信普及 的一 大障碍 ． 于 大 气湍流 不 同光 强起 伏信 道 模 型 ， 别建 立 了弱 、 基 分 中及 强 湍 流信
关 键 词 ： 无 线光通 信 ； 流信道 模 型 ； 湍 中断概 率 ； 信道 容量
中 图号 ： Ｔ ２ ． Ｎ９ ９ １ 文 献标 志码 ： Ａ
无 线光 通信 具 有 大 带 宽 、 干 扰 能 力 强 、 密 抗 保
matlab大气湍流光斑闪烁指数代码
《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
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
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
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。
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”。
基于闪烁法的大气湍流廓线测量技术
ｓ ｉ ｔ ｌｔ ｎ ｓ ｎ ｏ ， ｒ ｄｓ ｕ ｓ ｄ． Ａｃ ｏ ｄｎ ｔ ｔｅ ｂ ｓｃ ｐ ｉ ｃｐｅ ｏ ｍ ｕｔ —ｐ ｒｕ ｅ ｓ ｉ ｔ ｌｔ ｎ ｃｎ ｌａ ｏ ｅ ｓ ｒｗｅ ｅ ｉｃ ｓｅ ｉ ｉ ｃ ｒ ｉ ｇ ｏ ｈ ａ ｉ ｒｎ ｉ ｌ ｆ ｌ ａ ｅｔ ｒ ｃｎ ｌ ｉ ｉ ｉａｏ ｍ ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔａ ｄ ｔｅ Ｈｕ ｎ ｇ ｌＶ ａｌｙ ５ ７ ｍｏ ｅ ｆ ｔｒ ｕ ｅ ｃ ｒ ｆｌ ，ｂ ａ ｓ ｏ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｕ ａ ｏ ａ ｕ ｅ ｎ ｎ ｆ ａ ｅ — ｌ ／ ｄ ｌｏ ｕ ｂ ｌｎ ｅ ｐ ｏ ｅ ｙ ｍｅ ｎ ｆｔ ｏ ｅｉ ｌｓｍ ｌｔ ｎ， ｈ ｅ ｉ ｈ ｃ ｉ
ＮＩＺｈ —ｏ ’ ｉｂ ，ＨＵＡＮＧ ｎ ｈ ａ ，ＨＵＡＮ Ｇ ｎ—ｏ ，ＲＡＯ ｉｚ ｏ ｇ Ｈｏ ｇ—ｕ Ｙｉ ｂ Ｒｕ ・ｈ ｎ
（ ． ｙ Ｌ ｂ ｒ ｔｒ ｆＡ ｍｏ ｐ ｅｉ ｍｐ ｓｉ ｎ ａ ｄ Ｏｐｉａ Ｒ ｄａｉｎ Ａ ｈ ｉＩ ｓ ｔｔ ｏ ｔ ｓａ ｄ Ｆｎ ｃ ａ ｉｓ ｈｎ ｓ １Ｋｅ ａ ｏａｏｙ ｏ ｔ ｓｈ ｒｃＣｏ ｏｉ ｏ ｎ ｔ ｌ ａ ｉｔ ， ｎ ｕ ｎｔ ｕｅ ｆＯｐｉ ｉｅ Ｍｅ ｈ ｃ ，Ｃ ｉｅｅ ｔ ｃ ｏ ｉ ｃ ｎ ｎ
摘 要 ：为 了研 究基 于 闪烁效应测 量 湍流 强度廓 线技 术 ， Ｓ Ｉ Ａ 闪烁计 阵列 和 多孔径 闪烁 以 Ｃ Ｄ Ｒ、
测 量 为 基 础 ， 绍 了 其 理 论 基 础 、 术 设 备 、 展 现 状 及 其 优 缺 点 。 据 多孔 径 闪 烁 测 量 的基 本 原 理 和 介 技 发 根
Ａ ａｅ ｆＳ ｉ ｃｓ Ｈ ｆｉ２０ ３ ， ｈｎ ；．ｎｖ ｒｔ ｆＣ ｉｅｅＡ ａｅ ｆＳ ｉ ｃｓ Ｂ ｉｎ ００ ９ Ｃ ｉａ ｃｄｍｙｏ ｃｅ ｅ， ｅｅ ３０ １ Ｃ ｉａ２Ｕ ｉｅｓ ｙｏ ｈｎ ｓ ｃｄｍｙ ｏ ｃｅ ｅ， ｅ ｉｇ １０ ４ ， ｈｎ） ｎ ｉ ｎ ｊ Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｉ ｏｄ ｒ ｔ ｒ ｓ ａｃ ｔｅ ｓｒ ｃ ： ｎ ｒ ｅ ｏ ｅ ｅ ｒ ｈ ｈ ｍ ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ｅ ｈ ｉｕ ｓ ｆ ｔｒ ｕｅ ｃ ｉｔｎ ｉ ｒ ｆｌ ａ ｅ ｏ ａ ｕ ｅ ｎ ｔｃ ｎ ｑ ｅ ｏ ｕ ｂ ｌｎ ｅ ｎ ｅ ｓｔ ｐ ｏ ｉ ｂ ｓ ｄ ｎ ｙ ｅ ｓ ｉ ｔ ｌｔ ｎ ｅ ｆ ｃ ，ｔｅ ｈ ｅ ｒｔｃ ｌ ａ ｅ ｅ ｈ ｉ ａ ｐ ａ ｔ，ｃ ｒｅ ｔ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｔｔ ｓ ｎ ｄ ｄ ａ ｔｇ ｓ ｎ ｄ ｃｎ ｌａ ｏ ｆｅ ｔ ｈ ｔ ｏ ｅｉａ ｂ ｓ ，ｔｃ ｎｃ ｌ ｌｎ ｓ ｕ ｒ ｎ ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｓａｅ ，ａ ａ ｖ ｎ ｅ ａ ｉ ｉ ａ
大气湍流中光束闪烁效应数学模型的创建研究
δ2ln I = 1． 23qn C2n κ7 /6 L11 /6
（ 2）
其中系数 qn 取决于辐射孔径的衍射大小和光束发散度（ 其
变化不大于 4 倍） 。C2n 为媚质折射率的结构常数，κ（ － 2π /
λ） 为辐射的波数，L 为光程长度。当 δ2ln ≤，当 δ2ln ＞ 0． 6 时，由于在某一点上达到饱和（ 强
研究弱 － 强湍流下的高斯光闪烁模型，并考虑大气内、外尺
度的影响。
在弱起伏区，大气闪烁的大小可以用 Rytov 近似结果较
好地预测。而在强起伏区的研究主要集中在三个方面： 一是
用广义惠更斯 － 菲涅尔原理计算强度起伏方差与协方差； 二
是推广和求解“Markov 近似”方程，主要是数值模拟与渐进分
析； 三是用费曼路径积分解波动方程。另外，研究表明，强度
产业与科技论坛 2012 年第 11 卷第 15 期
大气湍流中光束闪烁效应数学模型的创建研究
□卢 永
【内容摘要】空间光通信是以大气作为传输媒质来进行光信号传送的。空间激光通信综合了传统微波通信和光纤通信的优点， 因其具有通信容量大，保密性好，抗电磁干扰能力强等优点。而大气湍流对光通信的影响尤为重要，本文通过研究 大气湍流中的光束闪烁效应并建立对应数学模型来分析大气湍流对空间光通信的影响。
·164·
Industrial & Science Tribune 2012（ . 11）.15
产业与科技论坛 2012 年第 11 卷第 15 期
丝绸文化对唐诗的渗透和影响探究
□金华亮
【内容摘要】唐代丝绸文化在我国文化历史上占据着重要的地位。本文通过挖掘唐诗这一具有重要史料价值的文献形式，分析 唐诗中有关丝绸文化的诗句，进而研究丝绸文化对唐诗的渗透和影响。
大气光学湍流强度估算和预报方法研究
大气光学湍流强度估算和预报方法研究吴晓庆【摘要】本文简述利用常规气象参数,基于Monin-Obukhov相似理论估算近地面Cn2和基于Tatarski公式估算高空Cn2的方法和估算结果,并给出了利用中尺度气象模式WRF开展的预报Cn2的研究成果.构建合适的光学湍流外尺度参数化公式,进行中尺度模式与微尺度模式嵌套,开展光学湍流参数化新方法的研究,是今后提高光学湍流估算和预报精度努力的方向.【期刊名称】《安徽师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(039)006【总页数】5页(P511-515)【关键词】大气光学湍流;估算;预报【作者】吴晓庆【作者单位】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,安徽合肥230031【正文语种】中文【中图分类】TN24湍流是近百年来物理学中尚未解决好的一个极为艰难的重大课题.从1883年Reynolds开始现代湍流研究以来，对湍流的认识在不断深化，一些杰出科学家留下了他们的足迹.如Taylor(1921)的涡模型[1]、Prandtl(1925年)的混合长模型[2]、Von Karman(1930年)相似模型[3]、Richardson(1922年)多尺度级串模型[4]、Kolmogorov(1941年)局地各向同性模型[5]、周培源(1945年)湍流动力学方程[6]、Lorentz(1963年)发现奇异吸引子[7]以及混沌现象等是这一期间研究湍流的最主要成果.目前大多数人的观点是：湍流是多尺度有结构的不规则的流体运动，其基本物理特性可由Navier-Stokes方程来描述.随着计算机的迅速发展，湍流的数值模拟逐渐兴起.能分辨所有尺度湍涡的数值模拟称为直接数值模拟(Direct Numerical Simulation, DNS).DNS方法，由于不需作简化和假设，直接求解已知初始条件和边界条件的Navier-Stokes方程组，成为研究低雷诺数、简单几何边界湍流的主要工具之一.Coleman(1990)等使用DNS揭示了Ekman层的湍流特征[8].受限于目前计算机的容量和速度，我们还不能对104量级以上的高Reynolds数湍流进行直接数值模拟.作为DNS方法的一种折中，大涡数值模拟(large eddy simulation, LES)方法，采用合适滤波器，将大尺度湍涡和小尺度湍涡分开，对Navier-Stokes方程做过滤运算，通过建立亚格子应力模型(过滤掉的小尺度湍涡对大尺度湍涡的作用称为亚格子应力)，来模拟包含大于过滤尺度的所有含能大尺度运动.尽管LES方法比DNS方法节省很大的计算量，而且在大气边界层等领域展现不俗的研究潜力[9-13]，但仍受到计算机容量和速度的限制，LES模拟Reynolds数较高的对流边界层以及复杂边界条件下的湍流，减少数值模拟湍流与实际湍流之间的误差仍需要相当长的时间.湍流对大气中声、光和其它电磁波的传播产生重要的影响，原因是大气中存在小尺度折射率起伏，我们称为大气光学湍流.大气折射率结构常数是描述大气光学湍流的重要参数，从某种意义上说，知道了时空分布，就可以计算出大气光学湍流对光电系统的影响.仪器测量和模式估算是获取时空分布最常用的两种方法.因受人力、物力所限难以在全国大范围内进行大气光学湍流较长时间的现场测量，若实现用常规气象参数的方法估算高空光学湍流，则可利用地域广数据量多的常规气象资料，再结合光学湍流现场观测数据的检验，就可获得在地域、气候等方面具有代表性地区可靠的高空光学湍流数据.如何用常规气象参数估算光学湍流，反映的是平均气象场与随机湍流场的内在联系，开展这方面工作可以加深大气湍流自身规律如湍流产生机制等物理问题的研究.光学湍流预报涉及多学科如大气科学(包括气象学、大气物理)、计算数学和计算机计术、光学工程(包括天文选址、光传输和光通讯)、湍流测量技术等其它学科和领域的交叉和融合.这种多学科的交叉和融合，既是挑战也是机遇.近几年我们开展了用常规气象参数进行大气光学湍流强度估算和预报方法研究.本文简述基于Monin-Obukhov相似理论开展的近地面的估算结果；基于Tatarski公式和气象探空数据，开展的高空的初步研究；以及利用中尺度气象模式WRF开展的预报的研究.相似理论是研究边界层湍流模式的基石.我们运用Monin-Obukhov相似理论[14]，用Bulk方法，通过测量两高度层上的风速、温度、绝对湿度差值，估算出湍流通量，得到折射率结构常数.式中L是Monin-Obukhov长度，△T为两层的温差，△q是两层湿度差，rTq是温湿相关项系数.系数A、B分别为分别是温度结构常数、风速、温度的无量纲普适函数.茂名博贺海洋气象科学试验基地位于广东省西南部(21°27′N，111°18′E)，南濒南中国海.我们研制的移动式大气参数测量系统安装在岸基观测站.图1是模式估算的与温度脉动仪测量的的比对.模式输入的常规气象参数是两层气温、相对湿度、风速.z1=0.50m，z2=2.15m.测量时间2012年9月26日至10月19日共24天.模式估算和温度脉动仪测量在量级和变化趋势基本一致.但夜晚稳定的大气条件下，模式估算精度有待深入研究.国内外有许多学者提出了廓线模式.这类模式是在大量观测数据基础上总结出的经验公式，基本上代表的是一个统计平均的结果.模式中的参数仅含有高度或少量的气象参数.如SLC模式、AFGL AMOS 夜晚模式、CLEAR Ⅰ夜晚模式、Hufnagel-Valley(5/7)模式、冬季兴隆廓线模式等，限于篇幅，其表达式这里不再赘述，参见参考文献[15].图2是建立高空大气光学湍流模式方框图.Tatarski公式形式为：这里,T是绝对气温(K)，P是气压(hPa)，γa是干空气绝热递减率(9.8×10-3-1),h是高度(m)，L0是湍流外尺度.Dewan在实验数据基础上将看作是风切变的函数：对流层平流层S是风剪切量.与Dewan类似的HMNSP99外尺度参数化公式增加了温度梯度.对流层平流层外尺度经验公式还有Coulman公式.我们通过测量30km以下的温度、湿度、气压、风速风向和，对常规气象参数估算的与实测的进行比对.图3是在合肥进行的温度、风速、风向廓线的一次探空实例，测量时间为2014年5月7日21:48:58-23:46:34.图4是四种外尺度模式(Dewan、HMNSP99、Sterengorg、Coulman)估算的结果与测量值的比较[16].从变化趋势和量级看，HMNSP99的外尺度模式估算的与测量值接近.文献16对现有的典型模式进行比对.给出了四种廓线模式(SLC模式、AFGL AMOS 夜晚模式、C LEARⅠ夜晚模式、Hufnagel模式)估算的，和四种外尺度模式(Dewan、HMNSP99、Sterengorg、Coulman)估算的，并与温度脉动探空仪测量的进行了比较，归纳出的实测值和模式值的一些共同特点和差异，指出选择合适的外尺度模式是用Tatarski公式估算的关键.大气中包含有大、中、小尺度的大气运动系统.其中“中尺度系统”的概念是在50年代初随着气象雷达和加密观测网的发展而形成的.它一般是指时间和水平空间尺度比常规探空网的时空密度小，但比积云单体的生命期及空间尺度大得多的一种系统.中尺度天气预报模式是通过一系列方程模拟反映大气参数如温度、气压、水汽、风速等随时间的演变.模式内的大气三维空间被分割成一系列网格点阵，每个格点上的气象参数值代表了当时大气的状况.网格点数量愈多，模式分辨率愈高，空间分辨率提高一倍，所需计算量将提高16倍.从数学角度，气象模式就是一组数学物理方程，在给定初始条件和边界条件下，就可以得到这组数学物理方程的解.湍流能量从大尺度涡旋向小尺度级串，为人们定性和定量地认识湍流的多尺度现象,从中尺度天气预报模式估算小尺度湍流成为可能.中尺度气象模式最具代表性的是MM5(The Fifth-Generation Mesoscale Model)和WRF(Weather Research and Forecast).两种模式源代码开放，从相关网站可获取全球气象观测基础数据库、全球高程数据库、全球土壤和植被系数数据库等模式运行所需的基础数据.Coulman(1986)[17]最早提出有可能从气象参数预报大气光学湍流.Bougeault(1995)[18]则采用流体静力假设的中尺度模式PERIDOT，法国探空网提供初值条件，首次实现了使用中尺度气象模式估算和预报法国境内Lachens山附近视宁度.2007年我们[19]国内率先开展了利用MM5预报高空的初步研究，在此基础上进行了WRF模式预报光学湍流的进一步研究[20-22].图5是我们运用WRF估算云南天文台高美古站光学湍流强度的一次实例[22].丽江高美古观测站(100.03°E,26.69°N)海拔高度约3227m.模拟平台采用Lenovo Product系列台式计算机，4核CPU，4G内存和1T容量硬盘.操作系统采用Linux架构下的Ubuntu(10.04 LTS)系统.采用3层网格嵌套，东西方向格点数从外到内分别为65，91，124；南北方向格点数从外到内分别为49，61，97；网格分辨率从外到内分别为36，12，4 km；静态地形数据的分辨率为10＇，5＇，2＇；投影方式采用lambert正型投影；输入的初始场资料为再分析场数据(FNL)，分辨率为1°×1°.顶层气压设置为10 hPa.基本模拟参数设置见表1.WRF模拟的气温、风速廓线与我们自行研制的湍流气象探空仪测量的结果基本一致.近地面模式估算和温度脉动仪测量在量级和变化趋势基本一致.对于复杂的下垫面，夜晚稳定的大气条件，选择合适的相似性函数，提高模式估算精度有待深入研究. 采用Dewan、HMNSP99、Coulman和Sterenborg四种外尺度模式对值进行估算，并与探空测量的值进行了比较.HMNSP99模式估算的值和测量值在量级和变化趋势上相接近.WRF模式模拟光学湍流强度与实测结果基本一致.构建合适的光学湍流外尺度参数化公式，进行中尺度模式与微尺度模式嵌套，开展光学湍流参数化新方法的研究，是今后提高光学湍流估算和预报精度努力的方向.【相关文献】[1] TYLOR G I. Diffussion by continuous movements[J]. Proc London Math Soc,1921,(20):196-211.[2] PRANDTL L. Bericht uber untersuchungen zur ausgebildeten Turbulenz[J]. Zs angew Math Mech， 1925,(5):136-139.[3] von Karman T. Mechanische anlichkeit und turbulenz[J]. Nachr Ges Wiss Gottingen, Math-Phys K1, 1930,(3)：51-76.[4] RICHARDSON L F. Weather prediction by numerical process[M]. Cambridge university press, 1922.Cambridge[5] KOLOMOGOROV A N. The local structure of turbulence in incompressible viscous fluid for very large Reynolds number[J]. Dokl Akad Nauk SSSR, 1941,30:9-13(Reprinted in Proc，Royal Soc， Lond A, 1991,9-13)[6] CHOU P Y. Pressure flow of a turbulent fluid between two infinite parallel planes[J]. Quanterly Appl Math, 1945,3(3):198-209.[7] LORENTZ E N. Deterministic nonperiodic flow[J]. J Atmos Sci， 1963,20,130-141.[8] COLEMAN G N, FERZIGER J H, SPALART P R. A numerical study of the turbulent Ekman layer[J]. J Fluid Mech, 1990,213,313-348.[9] 蒋维楣，苗世光.大涡模拟与大气边界层研究-30年回顾与展望[J]，自然科学进展，2004,14(1)：11-19.[10] MASON P J. Large eddy simulation: A critical review of the technique[J]. Quart J RoyMeteor Soc, 1994，120：1-26.[11] MOENG C H. Large eddy simulation of atmospheric boundary layers[M]. Clear and Cloudy Boundary Layers, A A M Holtslag and P G Duynkerke, Eds. Royal Netherlands Academy of Sciences, 1998：67-83.[12] STEVENS B, LENSCHOW D H. Observations,experiments and large-eddy simulation[J]. Bull Ameteor Soc, 2001,82：283-294.[13] 张兆顺，崔桂香，许春晓.走近湍流[J].力学与实践，2002, 24(1)：1-17.[14] 吴晓庆，朱行听，黄宏华，胡顺星.基于Monin-Obukhov相似理论估算近地面光学湍流强度[J].光学学报，2012,32(7)：1-7.[15] 吴晓庆.大气光学湍流、模式与测量技术[J].安徽师范大学学报：自然科学版，2006,29(2)：103-107.[16] 吴晓庆.中尺度气象模式预报大气光学湍流的现状与展望[J].激光与光电子学进展，2016，(已收录).[17] COULMAN C E, ANDRE J C, LACARRERE P， GUILLINGHAM P R. The observations, calculations, and possible forecasting of astronomical seeing[J]. Publ Astron.l Soc Pac, 1986,98:376-387.[18] BOUGEAULT P, CHEN D H, FLEURY B, LAURENT J. Investigation of seeing by means of an atmospheric mesoscale numerical simulation[J]. Appl Opt, 1995,34(18):3481-3488. [19] 许利明，吴晓庆，王英俭.利用中尺度天气预报模式预报大气光学湍流[J].大气与环境光学学报，2008,3(4):270-275.[20] 青春，吴晓庆，李学彬，等.基于天气数值预报模式预报高空光学湍流[J].强激光与粒子束，2015，27(6):1-6.[21] 青春，吴晓庆，李学彬，等.WRF模式估算丽江高美古大气光学湍流廓线[J].中国激光，2015,42(9):1-8.[22] 青春，吴晓庆，李学彬，等.典型地区高空大气光学湍流模拟研究[J]，光学学报，2016,36(5)：1-7.。
大气湍流对激光通信的影响及对策研究
大气湍流对激光通信的影响及对策研究作者：孙孚等来源：《电子技术与软件工程》2015年第24期摘要分析了大气湍流对自由空间激光传输和激光通信的影响，提出了几种应对大气湍流效应的有效方法。
【关键词】大气湍流效应激光传输激光通信自由空间激光通信依靠激光在大气中的无线传输实现信息的传递。
自由空间的大气信道是随机多变的，它对激光传输的影响主要表现为两个方面，即大气衰减效应和大气湍流效应。
大气衰减效应是指因大气对激光的散射与吸收作用而导致的激光能量衰减；而大气湍流效应则是指大气的折射率因大气的湍流运动而发生随机起伏，进而导致激光的相位及强度在空间和时间上都呈现为随机起伏的变化。
大气衰减效应对自由空间激光通信的影响一般来说是比较容易解决的。
而大气湍流效应则不然，由于它的强度和发生几率都是随机的，因而它对自由空间激光通信的影响很大而且难以克服，所以必须予以高度重视。
1 大气湍流对激光传输的影响对于实际的大气而言，由于它始终处于随机的湍流运动状态之中，因此它的折射率也始终随空间和时间无规则地变化着。
而折射率的这种无规则变化将使在大气中传输的激光参量随机而变，进而严重影响光束的质量。
其表现为：光束弯曲漂移、光强闪烁、光束展宽等，这些影响被统称为大气的湍流效应。
1.1 光强闪烁大气折射率随机细小的变化将引起光束截面内强度的随机变化，简称光强闪烁。
事实上，当光束穿过大气湍流漩涡时，折射率的随机起伏将引起光波的波前畸变，致使接收端的相位随机改变。
当激光束的直径R大于湍流直径r时，光束内就将会包含多个湍流漩涡，而每个湍流漩涡又各自对激光光束形成独立的衍射和散射，从而导致光束截面内强度在空间和时间上的随面起伏，忽强忽弱，这就是所谓的光强闪烁。
1.2 光束弯曲与漂移大气中传输的激光束，当其直径R小于湍流漩涡的直径r时，激光束便被包含在这个湍流漩涡内，此时湍流的影响主要是使光束的整体产生随机偏折。
体现在接收端，就是在接收端面上，光束的中心将围绕某个统计平均位置随机快速地跳动，此即光束漂移，在数值上可以用漂移量来表示。
基于大气湍流的光学成像系统性能研究
基于大气湍流的光学成像系统性能研究随着科技的不断进步，光学成像系统在现代生活中的应用越来越广泛。
然而，由于大气湍流对光传输的影响，光学成像系统的性能往往会受到限制。
因此，人们对于基于大气湍流的光学成像系统性能进行研究成为了一个热门的课题。
大气湍流是指大气中因温度、压力和湿度等参数的不均匀性所引起的气流的不规则运动。
这种运动往往会导致光的传输受到湍流涡旋的扰动，使光的传输路径发生弯曲、偏移和增加相位差等现象，从而影响光学成像系统的成像质量。
为了研究基于大气湍流的光学成像系统性能，科学家们采取了多种手段和方法。
其中，一种常用的方法是通过数值模拟进行研究。
科学家们根据湍流的运动特性，建立了合适的数学模型，利用计算机进行模拟计算，得到了光学传输路径的扰动情况，从而研究光学成像系统的成像质量。
这种方法具有灵活性强、成本低等优点，可以帮助科学家们更好地理解大气湍流对光学系统的影响。
另一种常用的方法是通过实验研究。
科学家们利用气象球、激光测风仪等仪器设备，对大气湍流进行实时监测和测量。
通过这些实验数据，科学家们可以获得大气湍流的运动特性和变化规律，进而研究光学传输路径的扰动情况。
这种方法具有直观性强、可靠性高等优点，可以为实际应用提供可靠的数据支持。
基于大气湍流的光学成像系统性能研究不仅仅可以帮助科学家们更好地了解大气湍流对光学系统的影响，还对于提高光学成像系统的成像质量具有重要意义。
在军事、遥感、天文等领域，光学成像系统常常需要在复杂的大气湍流环境中工作。
如果能够深入研究大气湍流对光学系统的影响，并根据研究结果进行系统优化和改进，就可以显著提高光学成像系统的成像精度和稳定性。
值得注意的是，基于大气湍流的光学成像系统性能研究还面临一些挑战和难题。
首先，湍流现象十分复杂，涉及的参数和变量众多，研究难度较大。
此外，湍流的运动特性和变化规律也存在一定的不确定性，对于系统性能的研究提出了一定的挑战。
因此，科学家们仍然需要继续努力，开展更深入、更广泛的研究，为基于大气湍流的光学成像系统性能提升提供更为有效的解决方案。
大气湍流光强闪烁效应的抑制技术研究
2006
Fernandez等 人证实了相干 检测—分集技 术可以有效地 补偿大气湍流 的影响
2014
刘洋等人对弱 湍流信道无线 光通信分集接 收合并技术进 行研究分集接 收合并技术具 有较好的抗大 气信道衰落能 力[6]
2015
柯熙政对强湍 流信道无线光 通信分集接收 技术进行研究 ，分集接收能 在很大程度上 改善大气激光 通信的性能[7]
有前景的就是自适应光学补偿技术、部分相干光传输技术以及分集接收
技术。因此，我们从这三个方面讨论
[2] Kaur P, Jain V K, Kar S. Effect of atmospheric conditions and aperture averaging on capacity of free space optical links[J]. Optical & Quantum Electronics, 2013, 46(9):1139-1148.
大气闪烁效应的抑制技术
大气闪烁抑 制技术
采用部分 相干光传 输技术
采用分集 接收技术
采用自适 应光学补 偿技术
1. 部分相干光传输技术
从图中可以看到，在弱湍流条件 下，传输相同距离时，随着大气 折射率结构常数的增大，部分相 干光的光强起伏方差也随之增大 且大气折射率结构常数越大，光 强起伏方差随传输距离增加的速 度越快，这是由于随着大气折射 率的增大，湍流引起的接收光强 度随时间和空间位置的随机变化 增强而导致的。
在强湍流环境下，仿真得到光强起伏方差随传输距离的变化曲线
从图中可以看出，与弱湍流下得出 的结论类似，在强湍流条件下，光 束的光强起伏方差随着传输距离的 增加而增大。传输相同距离时，部 分相干光的光强起伏方差明显小于 完全相干光，并且随着相干长度的 减小，即相干性下降，部分相干光 的光强起伏方差也在减小。由此可 见，强湍流条件下，部分相干光受 湍流影响小于完全相干光。
激光通信系统中的光强闪烁抑制研究与实现
激光通信系统中的光强闪烁抑制研究与实现
王振宇;董科研;安岩;于笑楠;宋延嵩
【期刊名称】《长春理工大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】2022(45)2
【摘要】针对激光通信系统中影响通信质量的大气湍流光强闪烁效应的抑制问题,提出了一种控制闪烁方差的大气湍流抑制算法。
基于闪烁方差的增益控制原理对抑制算法进行了理论分析,设计了一种带有闪烁方差控制的APD接收器,并在通信距
离分别为500 m和900 m的外场进行了实验。
结果表明,在通信距离500 m实验中,平均闪烁方差由0.032降低到0.0085,平均误码率由7.62×10^(-7)降低至
1×10^(-12)。
相应的,在通信距离900 m实验中,平均闪烁方差由0.050降低至
0.014,平均误码率由1.69×10^(-6)降低至1×10^(-12)。
以上方法能够有效抑制
大气湍流所引起的光强闪烁,降低通信误码率,具有一定的研究意义和商业应用价值。
【总页数】9页(P19-27)
【作者】王振宇;董科研;安岩;于笑楠;宋延嵩
【作者单位】长春理工大学光电工程学院;长春理工大学空间光电技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.1
【相关文献】
1.多束部分相干光抑制光强闪烁效应的仿真实验研究
2.光强闪烁对大气激光通信系统误码率的影响
3.大气激光通信系统中RS码的研究与实现
4.大气激光通信系统中RS码的研究与实现
5.弱湍流大气激光通信中的光强闪烁研究
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信系统接收机,进行光电转换,从而得到源信号。
光波在湍流大气中传输时由于折射率的起伏使其散射强度会发生起 伏，即出现所谓的闪烁现象，光束经过自适应光学补偿系统校正，其效
果就相当于滤波器,把湍流造成的闪烁滤除掉。
用matlab仿真得到误码率与校正模数的关系曲线
图2上行链路误码率与校正模数
图2上行链路误码率与校正模数
图1基于自适应光学自由空间光通信系统框图
光发射机发出的光束经过大气湍流后 ,波前传感器进行波前测量,然 后通过波前复原算法重构出波前信息 , 波前控制器将波前传感器探测到
的信号经过控制算法转化为波前校正器的控制信号 ,驱动波前校正器改
变波前形状,从而有效地校正各种扰动对激光光束质量的影响 ,得到接近 衍射极限的输出激光光束 , 最后经过自适应光学系统校正的光束送入通
影响、实现有效的信道补偿，需要进行大量的实验研究和理论探索。
[1] Wu X, Liu P, Matsumoto M. A Study on Atmospheric Turbulence Effects in Full-Optical Free-Space Communication Systems[J]. Wireless Communications Networking and Mobile Computing (WiCOM), 2010 6th International Conference，2010:1-5.
统性能提高就越大, 说明自适应光学系统在自由空间光通信下行链路
的有效性。 同时从图 2 和图 3 可知补偿模数小于 5 阶时 , 曲线陡峭 , 说明自适应
光学系统用较少的补偿模数就能达到很好的补偿效果, 也就是自适应。
总结与展望
湍流问题作为世纪难题，它对数学、物理学、大气科学、工程 技术、国防科技等领域的重要意义和应用价值，更是自不待言[]。
统中自适应光学技术的使用可以降低由于大气湍流所造成的信
号衰减和起伏程度，使通信系统的误码率提高几个数量级。美 国马里兰大学的Thomas Weyrauch等人于2004年开展了2.3km大
气水平传输通信实验，进行了倾斜和大气像差校正。
在国内，2010年韩立强等[3]在gamma-gamma分布大气湍流中, 用自适 应光学技术对自由空间光通信系统进行补偿 , 进行通信系统误码率的分
从图 2 中可以看出系统下行链路误码率与校正模数的关系 , 随着校正模 数增大,相应自由空间光通信的误码率大大降低,当然补偿模数越多,系 统性能提高就越大,说明自适应光学系统在自由空间光通信上行链路的 有效性。
图3表明了系统上行链路误码率与校正模数的关系,随着校正模数 增大, 相应自由空间光通信的误码率大大降低 , 当然补偿模数越多 , 系
析, 给出了上行链路和下行链路的模拟结果。2012年武云云等[4]从实验
和仿真两方面研究了自适应光学（AO ）补偿大气湍流的影响，并提出接 收端AO校正后，平均误码率比校正前降低2～3 个数量级；发射端AO校正
后，平均误码率比校正前降低近7 个数量级。2014年[5]刘超等针对大气
湍流引起的激光光强、相位和传输方向的随机变化对大气激光通信质量 的影响，开展了用自适应光学（AO）技术校正大气湍流影响的研究。
进行卫星与地面站之间的通信，一般情况下又把地面站之间的激光通信 称为大气激光通信。
自由空间光通信具有带宽很宽、无需频谱许可证、部署快速便携、
成低等优点。但是，易受到大气湍流的影响，大气湍流会导致大气闪烁 、光束漂移、到达角起伏和相位畸变等效应，对无线光通信系统的信噪
比、误码率等性能指标产生很大的影响[1]。因此，为了克服大气湍流的
[3]韩立强, 王祁, 信太克, 李志全.基于自适应光学补偿的自由空间光通信系统性能研究[J].应用光学， 2010,31(2)：301-304. [4] Wu Yunyun,Li Xinyang. Research and Simulation about Effect of Adaptive Optics on Atmospheric Optical Communication[J]. Acta Optica Sinica, 2011, 31(s1): s100212. [5] 刘超，陈善球，廖周.自适应光学技术在通信波段对大气湍流的校正[J].光学精密工程， 2014,22(10):2605-2610.
图3 不同接收天线数下MRC与EGC的误码率性能比较
图4 不同信道参数下EGC与SC的误码率性能比较
从图3和图4中可以看出，SC也对系统性能有很好的改善，能有 效抑制大气湍流引起的衰减，但是相比较而言， MRC合并算法 要优于EGC和SC算法。
3. 自适应光学补偿技术
自适应光学技术是一种具备实时校正光学系统由大气湍流引起随机 误差的技术,使光学系统能适应使用条件的变化而保持良好性能,从而能 够有效补偿大气湍流效应引起的误差。 基于自适应光学的自由空间光通信系统模型 自适应光学系统主要由波前传感器、波前控制器和波前校正器三部 分组成,如图1所示。
分集接收技术
分集技术是目前抗衰落的最有效措施之一，它可以通过处理多个不相 关的信号，从而达到改善系统传输性能，克服大气湍流引起的光强闪烁效
应的作用；目前用于对抗大气湍流效应的分集技术有阵列接收、多光束传
输等 1996
Ibrahim 等 人 首先提出可以 将分集技术应 用于自由空间 光通信系统来 提高 传 输 性 能 的思想
有前景的就是自适应光学补偿技术、部分相干光传输技术以及分集接收
技术。因此，我们从这三个方面讨论
[2] Kaur P, Jain V K, Kar S. Effect of atmospheric conditions and aperture averaging on capacity of free space optical links[J]. Optical & Quantum Electronics, 2013, 46(9):1139-1148.
图3 强湍流下部分相干光的光强起伏方差随距 离的变化
从图中可以看出，与弱湍流下得出 的结论类似，在强湍流条件下，光 束的光强起伏方差随着传输距离的 增加而增大。传输相同距离时，部 分相干光的光强起伏方差明显小于 完全相干光，并且随着相干长度的 减小，即相干性下降，部分相干光 的光强起伏方差也在减小。由此可 见，强湍流条件下，部分相干光受 湍流影响小于完全相干光。
2006
Fernandez等 人证实了相干 检测—分集技 术可以有效地 补偿大气湍流 的影响
2014
刘洋等人对弱 湍流信道无线 光通信分集接 收合并技术进 行研究分集接 收合并技术具 有较好的 抗大 气信道衰落能 力[6]
2015
柯熙政对强湍 流信道无线光 通信分集接收 技术进行研究 ，分集接收能 在很大程度上 改善大气激光 通信的性能[7]
大气光强闪烁效应的抑制技术研究
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主要内容
研究背景与意义
研究历史与现状
光强闪烁的抑制技术 总结与展望
研究背景
自由空间光通信（FSO ）是一种新型的通信方式，它利用光波作为 信息载体在空间域中进行信息的传递。它包括很多的应用领域，例如：
深空、中轨道、地面站之间的 FSO 通信，在某些情况下还可以利用其
大气闪烁效应的抑制技术
大气闪烁抑 制技术
采用部分 相干光传 输技术 采用自适 应光学补 偿技术
采用分集 接收技术
1. 部分相干光传输技术
从图中可以看到，在弱湍流条件 下，传输相同距离时，随着大气 折射率结构常数的增大，部分相 干光的光强起伏方差也随之增大 且大气折射率结构常数越大，光 强起伏方差随传输距离增加的速 度越快，这是由于随着大气折射 率的增大，湍流引起的接收光强 度随时间和空间位置的随机变化 增强而导致的。
对于无线光通信领域，湍流效应引起的光强起伏、光斑抖动相位畸
2. 分集接收技术
分集接收
集中处理
图1 不同接收天线数、不同信道参数 下MRC 合并的误码率性能仿真
图2 不同接收天线数、不同信道参数 下EGC合并的误码率性能仿真
由图1和图2中可以看出，MRC合并算法与EGC合并算法相较无分集时性 能有很大改善，且随着接收天线数目的增大，性能越来越好，说明两 种合并技术可有效地改善系统误码性能，具有较强的抗衰落能力，而 且随着分集支路的增大，对湍流的抑制也愈加明显。
[10][11]
Salem 等从理论 上分析了大气湍 流中部分相干光 比完全相干光更 适于进行长距离 传输
张磊等人实验测 量了不同空间相 干度的部分相干 光在实际大气湍 流中传输的闪烁 指数[8]
[8]张磊, 陈子阳, 熊梦苏等. 部分相干光在大气湍流中传输的闪烁指数[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26(9):71-75. [9]柯熙政,韩美苗,王明军. 部分相干光在大气湍流中斜程传输路径上的展宽与漂移[J]. 光子学报, 2015, 44(3):0306001 . [10]柯熙政, 韩美苗, 王明军. 部分相干光在大气湍流中水平传输路径上的展宽与漂移[J]. 光学学报, 2014, (11). [11]柯熙政, 张宇. 部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应[J]. 光学学报, 2015, (1).
[6] 刘 洋，章国安.弱湍流信道无线光通信分集接收合并技术[J].激光技术，2014,38(5):698-702. [7] 柯熙政，刘妹.湍流信道无线光通信中的分集接收技术[J].光学学报，2015,(1).
部分相干光传输技术
Wolf 和 Carterl 提 出了准单色的高 斯部分相干光源 的概念 Schulz首先在理 论上证明了部分 相干光具有减小 闪烁的特性 柯熙政对部分相 干光在大气湍流 中的光强闪烁效 应进行了研究[9]