大氣湍流中的激光傳輸

1、大氣湍流中的激光傳輸xXXXXXXXXXxXXXXXXXXX 由于激光特有的高強度、高單色性、高相干性、高方向性等諸多特性，因此在激光通信中有著容量更大、波束更窄、增益更高、抗干擾性更強和保密性更好等優(yōu)點。近年來，激光的近地應用，如激光通訊、激光測距、激光制導、激光雷達等，已得到了很好的發(fā)展。 但大氣湍流引起的折射率隨機起伏導致激光束光場的隨機變化，嚴重限制了不同近地激光工程系統(tǒng)的使用性能。背景和意義背景和意義 流體的運動主要分為層流和湍流，層流屬于規(guī)則運動，湍流則屬于不規(guī)則運動。大氣湍流是大氣中的一種不規(guī)則的隨機運動不規(guī)則的隨機運動，湍流上的每一點的壓強、速度、溫度等物理特性都會隨機漲落。大

2、氣湍流中空氣密度的無規(guī)則變化導致了折射率的變化，也就使光在大氣中的傳播不再是線性的。大氣湍流最常發(fā)生的三個區(qū)域：1、大氣底層的邊界層內(nèi)2、對流云的云體內(nèi)部3、大氣對流層上部的西風急流區(qū)內(nèi)大氣湍流大氣湍流大氣湍流的成因大氣湍流的成因 熱力原因：地面的太陽加熱使暖空氣熱泡上升，形成湍渦。 動力原因：地面對氣流的摩擦拖曳力產(chǎn)生風切變，常常演變?yōu)橥牧鳌?光波在大氣中傳播所呈現(xiàn)的一切性質(zhì)的改變來源于空氣折射率的影響，且由于湍流介質(zhì)的隨機性和復雜性，我們都必須研究大氣湍流折射率的問題。 在光學波段范圍內(nèi)，對流層（高度2.5x10-13弱湍流 Cn2Cn26.4x10-17Cn2隨高度的變化實驗值近地面的大

3、氣湍流狀態(tài)會隨著地面狀況和天氣而有所變化。大氣湍流對激光傳輸?shù)挠绊懘髿馔牧鲗す鈧鬏數(shù)挠绊?大氣閃爍（光強起伏）大氣閃爍（光強起伏） 定義為激光傳播一定距離后，在探測器平面上光密度在空間和時間上的變化。這種信號的起伏是激光在傳播時，沿途溫度變化引起大氣折射率變化的緣故。大氣信道各部分就像棱柱和透鏡，如果在湍流大氣中與光源相距一定距離處測量光的強度，會出現(xiàn)光強I隨時間圍繞平均值做隨機起伏的現(xiàn)象。 因為光強起伏是影響工作于大氣環(huán)境中系統(tǒng)性能的一個重要參量，所以人們希望預測光強起伏的大小。光強起伏的理論和實驗研究一般主要集中在閃爍方差和閃爍概率密度上。大氣湍流對激光傳輸?shù)挠绊懘髿馔牧鲗す鈧鬏數(shù)挠绊?/p>

4、2相位起伏和到達角起伏相位起伏和到達角起伏激光在均勻介質(zhì)中傳播具有均勻波前：而在湍流大氣中傳播時則由于光束截面內(nèi)不同部分的大氣折射率的起伏，將導致光束波前的不同部位具有不同的相移，這些相移導致隨機起伏形狀的等相位面。這種相位形變導致光束波前到達角的起伏，從而也導致像點抖動。大氣湍流對激光傳輸?shù)挠绊懘髿馔牧鲗す鈧鬏數(shù)挠绊?光束漂移光束漂移主要起因于大尺度渦旋折射率的作用。 如果在接受平面上，取一個足夠短的觀察時間，我們可以看到一個直徑為s的被加寬的光斑被折射而偏離了一個距離c。接受平面上則會觀察到一個均方直徑為L2=s2+c2的大光斑。稱s為短期平均光斑半徑，L為長期光斑半徑，c為平均束漂移量

5、。大氣湍流對激光傳輸?shù)挠绊懘髿馔牧鲗す鈧鬏數(shù)挠绊?光束擴展光束擴展 所謂光束擴展是指接收到的光斑半徑或面積的變化。湍流大氣中傳播的激光光斑在時刻漂移著，如果我們長時間觀測（或觀察光斑的長曝光照片），因光斑漂移引起的累加效果會形成比瞬時光斑（短曝光光斑）大得多的彌散斑，這通常稱為長時擴展。而湍流大氣的影響也會使激光束的瞬時光斑擴大，通常稱為短時擴展。湍流大氣中的短曝光光斑圖像模擬單高斯光束不同湍流強度下的光強分布可以看出傳輸路徑上的大氣湍流使高斯光束發(fā)生畸變，隨著湍流強度的加強，湍流湍流造成的相位幾畸變會變大，湍流對激光影響也會加強，甚至出現(xiàn)光斑分裂等現(xiàn)象。針對大氣湍流影響的克服方法 1 擴大

6、發(fā)射光束的發(fā)散角來克服光束漂移帶來的問題。 2 用高功率發(fā)射器來補償由于激光束發(fā)散和激光閃爍所造成的損失。 3 用自適應光學系統(tǒng)補償波前相位畸變，提高空間光學系統(tǒng)的質(zhì)量。 通過對畸變的相位進行重構(gòu)，來降低接受面上的光強起伏和相位起伏。 4 采用多光束發(fā)射。使不同光束通過不同的湍流渦旋，使光束之間有相互補償?shù)目赡苄裕瑥亩档痛髿馔牧髟斐傻母鞣N影響。多光束傳輸裝置美國AstroTerra 公司的發(fā)射裝置多光束傳輸對光強起伏和光束漂移的改善考慮n束參數(shù)相同但互不相干的光照射到擴展目標上去的情況。n束所形成的光斑光強的平均起伏為： niincnII11若各束光的起伏互不相關，且假定每束光光強的起伏方差

7、為I2，則有：221InIn 即n束互不相關的光疊加后所形成的對數(shù)光強起伏方差與單束光的對數(shù)光強起伏方差相比方差減小了n倍。多光束傳輸對光強起伏和光束漂移的改善 對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測器的范圍，由于光束之間互不相關，其余的光束也有可能進入探測器范圍內(nèi)，進而減少光束漂移帶來的負面影響。如果n束參數(shù)相同的光經(jīng)過湍流之后傳輸?shù)侥繕嗣嫔?，n束光所形成的光斑的重心為各束光各自光斑重心的疊加： nicicnxnx11若各束光的漂移互不相關，并且假設每束光的光斑重心漂移的方差為2，則n束光疊加之后的光束漂移方差： ninn1221即n束漂移互不相關的光疊加后所形成的光斑重心漂移與單束光的光斑重心漂移相比，方差減小了n倍。多光束傳輸?shù)臄?shù)值模擬發(fā)射處的光強分布真空傳輸2km后的光強分布經(jīng)過Cn2=2x10-17m-2/3真空傳輸2km后的光強分布 四束