大气湍流中的激光传输课件
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大气湍流对激光传输的 影响
4 光束扩展
所谓光束扩展是指接收到的光斑 半径或面积的变化。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。
真空传输2km后的光强分布
◆ 四束原本分开的激光光束 经过一段传输后，其光场会叠 加在一起，使光束间有相互补 偿的可能性，从而降低湍流造 成的影响。
多光束传输的数值模拟
▲ 四光束与单光束光强起伏方差的比较
从图中可看出采用四束激光传输后的光强起伏比单束光又明显减小。
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谢谢大家！
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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
大气湍流中的激光传输
xXXXXXXXXX
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背景和意义
由于激光特有的高强度、高单色性、高相干性、高方向性等 诸多特性，因此在激光通信中有着容量更大、波束更窄、增益 更高、抗干扰性更强和保密性更好等优点。 近年来，激光的近地应用，如激光通讯、激光测距、激光制导、 激光雷达等，已得到了很好的发展。
但大气湍流引起的折射率随机起伏导致激光束光场的随机变 化，严重限制了不同近地激光工程系统的使用性能。
?
1?
n
2 I
即n束互不相关的光叠加后所形成的对数光强起伏方差与单束 光的对数光强起伏方差相比方差减小了 n倍。
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多光束传输对光强起伏和光 束漂移的改善
对于利用多光束客服光束漂移方面，采用多光束之后，即使有部分光超出了接收 探测器的范围，由于光束之间互不相关，其余的光束也有可能进入探测器范围内， 进而减少光束漂移带来的负面影响。如果 n束参数相同的光经过湍流之后传输到目 标面上， n束光所形成的光斑的重心为各束光各自光斑重心的叠加：
? xcn
?
1 n
n
xci
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
光叠加之后的光束漂移方差：
? ? 源自文库 n
1 2 ? n?
n i?1
2
?
σρ2，则n束
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。
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多光束传输的数值模拟
发射处的光强分布 经过Cn2=2x10-17m-2/3真空传输2km后的光强分布 .
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大气湍流的成因
·
? 热力原因：地面的太阳加热使暖空气热泡 上升，形成湍涡。
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? 动力原因：地面对气流的摩擦拖 曳力产生风切变，常常演变为湍流。
光波在大气中传播所呈现的一切性质的改变来源于空气折射率的影响，且
由于湍流介质的随机性和复杂性，我们都必须研究大气湍流折射率的问题。 在光学波段范围内，对流层（高度 <17km）中大气的空气折射率可用下式
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湍流大气中的短曝光光斑图像
模拟单高斯光束不同湍流 强度下的光强分布
可以看出传输路径上的大气湍流使高斯光束发生畸变，随着湍流强度 的加强，湍流湍流造成的相位几畸变会变大，湍流对激光影响也会加 强，甚至出现光斑分裂等现象。
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针对大气湍流影响的克 服方法
? 1 扩大发射光束的发散角来克服光束漂移带来的问题。 ? 2 用高功率发射器来补偿由于激光束发散和激光闪烁所造成的损失。 ? 3 用自适应光学系统补偿波前相位畸变，提高空间光学系统的质量。 通 过对畸变的相位进行重构，来降低接受面上的光强起伏和相位起伏。 ? 4 采用多光束发射。使不同光束通过不同的湍流涡旋，使光束之间有相互 补偿的可能性，从而降低大气湍流造成的各种影响。
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大气湍流对激光传输的 影响
2 相位起伏和到达角起伏
激光在均匀介质中传播具有均匀波前：而在湍流大气中传播时则由于 光束截面内不同部分的大气折射率的起伏，将导致光束波前的不同部 位具有不同的相移，这些相移导致随机起伏形状的等相位面。这种相 位形变导致光束波前到达角的起伏，从而也导致像点抖动。
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大气湍流对激光传输的 影响
描述：
? ? n( p,T, ) ? 1 ? 77.6(1 ? 7.52 ? 10?3 ?2 )( p /T ) ? 10?6
折射率结构常数 Cn2: 描述折射率湍流强度的系数
强湍流 弱湍流 中等湍流
Cn2>2.5x10-13 Cn2<6.4x10-17 2.5x10-13>Cn2>6.4x10-17
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。
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多光束传输装置
美国AstroTerra 公司的发射装置
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多光束传输对光强起伏和光 束漂移的改善
考虑n束参数相同但互不相干的光照射到扩展目标上去的情况。 n束所形成 的光斑光强的平均起伏为：
n
? I ? 1
cn
n
Ii
i?1
若各束光的起伏互不相关，且假定每束光光强的起伏方差为 σI2，则有：
?2 nI
近地面的大气湍流状态会随着地面状况和天气而有所变化。
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Cn2随高度的变化实验值
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。
大气湍流对激光传输的 影响
4 光束扩展
所谓光束扩展是指接收到的光斑 半径或面积的变化。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。
真空传输2km后的光强分布
◆ 四束原本分开的激光光束 经过一段传输后，其光场会叠 加在一起，使光束间有相互补 偿的可能性，从而降低湍流造 成的影响。
多光束传输的数值模拟
▲ 四光束与单光束光强起伏方差的比较
从图中可看出采用四束激光传输后的光强起伏比单束光又明显减小。
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谢谢大家！
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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
大气湍流中的激光传输
xXXXXXXXXX
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背景和意义
由于激光特有的高强度、高单色性、高相干性、高方向性等 诸多特性，因此在激光通信中有着容量更大、波束更窄、增益 更高、抗干扰性更强和保密性更好等优点。 近年来，激光的近地应用，如激光通讯、激光测距、激光制导、 激光雷达等，已得到了很好的发展。
但大气湍流引起的折射率随机起伏导致激光束光场的随机变 化，严重限制了不同近地激光工程系统的使用性能。
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1?
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2 I
即n束互不相关的光叠加后所形成的对数光强起伏方差与单束 光的对数光强起伏方差相比方差减小了 n倍。
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多光束传输对光强起伏和光 束漂移的改善
对于利用多光束客服光束漂移方面，采用多光束之后，即使有部分光超出了接收 探测器的范围，由于光束之间互不相关，其余的光束也有可能进入探测器范围内， 进而减少光束漂移带来的负面影响。如果 n束参数相同的光经过湍流之后传输到目 标面上， n束光所形成的光斑的重心为各束光各自光斑重心的叠加：
? xcn
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1 n
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xci
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
光叠加之后的光束漂移方差：
? ? 源自文库 n
1 2 ? n?
n i?1
2
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σρ2，则n束
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。
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多光束传输的数值模拟
发射处的光强分布 经过Cn2=2x10-17m-2/3真空传输2km后的光强分布 .
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大气湍流的成因
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? 热力原因：地面的太阳加热使暖空气热泡 上升，形成湍涡。
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? 动力原因：地面对气流的摩擦拖 曳力产生风切变，常常演变为湍流。
光波在大气中传播所呈现的一切性质的改变来源于空气折射率的影响，且
由于湍流介质的随机性和复杂性，我们都必须研究大气湍流折射率的问题。 在光学波段范围内，对流层（高度 <17km）中大气的空气折射率可用下式
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湍流大气中的短曝光光斑图像
模拟单高斯光束不同湍流 强度下的光强分布
可以看出传输路径上的大气湍流使高斯光束发生畸变，随着湍流强度 的加强，湍流湍流造成的相位几畸变会变大，湍流对激光影响也会加 强，甚至出现光斑分裂等现象。
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针对大气湍流影响的克 服方法
? 1 扩大发射光束的发散角来克服光束漂移带来的问题。 ? 2 用高功率发射器来补偿由于激光束发散和激光闪烁所造成的损失。 ? 3 用自适应光学系统补偿波前相位畸变，提高空间光学系统的质量。 通 过对畸变的相位进行重构，来降低接受面上的光强起伏和相位起伏。 ? 4 采用多光束发射。使不同光束通过不同的湍流涡旋，使光束之间有相互 补偿的可能性，从而降低大气湍流造成的各种影响。
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大气湍流对激光传输的 影响
2 相位起伏和到达角起伏
激光在均匀介质中传播具有均匀波前：而在湍流大气中传播时则由于 光束截面内不同部分的大气折射率的起伏，将导致光束波前的不同部 位具有不同的相移，这些相移导致随机起伏形状的等相位面。这种相 位形变导致光束波前到达角的起伏，从而也导致像点抖动。
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大气湍流对激光传输的 影响
描述：
? ? n( p,T, ) ? 1 ? 77.6(1 ? 7.52 ? 10?3 ?2 )( p /T ) ? 10?6
折射率结构常数 Cn2: 描述折射率湍流强度的系数
强湍流 弱湍流 中等湍流
Cn2>2.5x10-13 Cn2<6.4x10-17 2.5x10-13>Cn2>6.4x10-17
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。
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多光束传输装置
美国AstroTerra 公司的发射装置
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多光束传输对光强起伏和光 束漂移的改善
考虑n束参数相同但互不相干的光照射到扩展目标上去的情况。 n束所形成 的光斑光强的平均起伏为：
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? I ? 1
cn
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Ii
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若各束光的起伏互不相关，且假定每束光光强的起伏方差为 σI2，则有：
?2 nI
近地面的大气湍流状态会随着地面状况和天气而有所变化。
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Cn2随高度的变化实验值
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。