環(huán)狀光束在大氣湍流中沿斜程路徑傳輸?shù)拈W爍特性和能量集中度的研究.pdf

1、大氣湍流引起的光閃爍會導致信噪比降低和誤碼率上升，光閃爍嚴重地制約著自由空間光通信系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)、成像系統(tǒng)等性能的發(fā)揮。大氣湍流還會導致光束能量集中度降低，使得激光在大氣湍流環(huán)境下的應用受到限制。激光通過環(huán)狀光闌會產(chǎn)生環(huán)狀光束，環(huán)狀光闌存在于許多望遠鏡系統(tǒng)中，而激光衛(wèi)星通信、自由空間光通信系統(tǒng)的發(fā)射和接收裝置以及激光武器發(fā)射裝置中都采用這種望遠鏡系統(tǒng)。此外，非穩(wěn)腔產(chǎn)生的高功率激光通常也是環(huán)狀光束。在激光通信、激光測距以及激光武器等應用中

2、，不可避免地會遇到激光在大氣湍流中沿斜程路徑傳輸?shù)那闆r。因此，研究環(huán)狀光束在大氣湍流中沿斜程路徑傳輸?shù)拈W爍特性和能量集中度具有非常重要的意義。本論文的主要研究工作包括:
　　1.研究了環(huán)狀光束在大氣湍流中沿斜程路徑（上行）傳輸?shù)墓馐芰考卸取２捎脭?shù)值模擬的方法，選取相對二階矩束寬wR,、β參數(shù)和能量斯特列爾比(SRE)作為湍流對光束能量集中度影響的評價參數(shù)，研究了斜程大氣湍流對環(huán)狀光束能量集中度的影響。研究發(fā)現(xiàn):一般來說，大氣湍

3、流對厚的環(huán)狀光束（遮攔比ε較?。┠芰考卸鹊挠绊懘?，對薄的環(huán)狀光束（ε較大）影響小。然而，wR、β參數(shù)和SRE隨ε的變化規(guī)律是非常不同的，即:wR隨ε增加而單調減小，而β參數(shù)和SRE隨ε增加呈非單調變化。β參數(shù)會出現(xiàn)一個最大值（對應厚的環(huán)狀光束）和一個最小值（對應薄的環(huán)狀光束），而環(huán)狀光束的SRE僅存在一個最大值（對應薄的環(huán)狀光束），即:大氣湍流對按照給定桶中功率百分比定義的能量集中度與給定桶半徑內所含能量定義的能量集中度的影響是不同的

4、。β參數(shù)達到最大值和最小值，以及SRE達到最大值對應的環(huán)狀光束遮攔比ε幾乎與斜程傳輸?shù)奶祉斀菬o關。β參數(shù)取最小值和SRE取最大值時表示環(huán)狀光束能量集中度受湍流影響最小，在實際應用中可加以利用;而β參數(shù)取最大值時表示環(huán)狀光束能量集中度受湍流影響最大，在實際應用中應避免。
　　另外，本論文還采用桶中功率為86.5％定義的環(huán)圍功率束寬作為能量集中度的評價參數(shù)，研究了大氣湍流對環(huán)狀光束能量集中度的影響。研究表明:光束能量集中度隨著遮攔比和

5、天頂角的增大而變差，大氣湍流對光束能量集中度的影響也隨天頂角的增大而增大。但是，當遮攔比較大或較小時，湍流對光束能量集中度的影響隨遮攔比增大而減小;當遮攔比中等大小時，湍流對光束能量集中度的影響幾乎不隨遮攔比而變化。研究發(fā)現(xiàn):按照桶中功率不同百分比定義的環(huán)狀光束能量集中度受大氣湍流影響規(guī)律是不同的，這些結果對實際應用具有重要意義。
　　2.研究了環(huán)狀光束在大氣湍流中沿斜程路徑（上行）傳輸?shù)拈W爍特性。研究發(fā)現(xiàn)了沿斜程路徑傳輸不同與水

6、平路徑傳輸?shù)男乱?guī)律，即:當天頂角θ（傳輸路徑與豎直方向的夾角）不大時，隨傳輸距離的增大不會出現(xiàn)閃爍飽和效應。然而，當天頂角θ不大時，軸上光束閃爍指數(shù)會趨于一個漸近值，且這個漸進值隨著θ增大而增大，并且與環(huán)狀光束的遮攔比ε有關。另一方面，本論文還研究了環(huán)狀光束與平頂光束軸上光束閃爍指數(shù)的關系，發(fā)現(xiàn)兩者的關系隨著天頂角θ的變化而變化。本論文對所得結果給出了合理的物理解釋，所得結果對自由空間激光通信具有重要意義。
　　3.研究比較了環(huán)狀

7、光束在大氣湍流中沿上行和下行路徑的傳輸特性。研究發(fā)現(xiàn):由于湍流折射率結構常數(shù)是高度的函數(shù)，上行與下行路徑大氣湍流對激光傳輸特性的影響是非常不同的。當天頂角θ不大時，無論遮攔比ε為多大，總是有σ2Iup＞σ2Idown，其中σ2Iup和σ2Idown分別代表上行和下行路徑光束軸上閃爍指數(shù)。然而，當天項角θ足夠大時，隨著傳輸距離z的增加，σ2Idown與σ2Iup相接近，且隨著ε的增大，二者相互交疊。此外，隨著z的增大，當θ不大時σ2Iup