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(huì)導(dǎo)致信噪比降低和誤碼率上升，光閃爍嚴(yán)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(huì)導(dǎo)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(yīng)用受到限制。激光通過環(huán)狀光闌會(huì)產(chǎn)生環(huán)狀光束，環(huán)狀光闌存在于許多望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(cè)距以及激光武器等應(yīng)用中

2、，不可避免地會(huì)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(duì)二階矩束寬wR,、β參數(shù)和能量斯特列爾比(SRE)作為湍流對(duì)光束能量集中度影響的評(píng)價(jià)參數(shù)，研究了斜程大氣湍流對(duì)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(duì)厚的環(huán)狀光束（遮攔比ε較?。┠芰考卸鹊挠绊懘螅瑢?duì)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(diào)減小，而β參數(shù)和SRE隨ε增加呈非單調(diào)變化。β參數(shù)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大值（對(duì)應(yīng)厚的環(huán)狀光束）和一個(gè)最小值（對(duì)應(yīng)薄的環(huán)狀光束），而環(huán)狀光束的SRE僅存在一個(gè)最大值（對(duì)應(yīng)薄的環(huán)狀光束），即:大氣湍流對(duì)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(nèi)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(dá)到最大值和最小值，以及SRE達(dá)到最大值對(duì)應(yīng)的環(huán)狀光束遮攔比ε幾乎與斜程傳輸?shù)奶祉斀菬o關(guān)。β參數(shù)取最小值和SRE取最大值時(shí)表示環(huán)狀光束能量集中度受湍流影響最小，在實(shí)際應(yīng)用中可加以利用;而β參數(shù)取最大值時(shí)表示環(huán)狀光束能量集中度受湍流影響最大，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)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(píng)價(jià)參數(shù)，研究了大氣湍流對(duì)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(duì)光束能量集中度的影響也隨天頂角的增大而增大。但是，當(dāng)遮攔比較大或較小時(shí)，湍流對(duì)光束能量集中度的影響隨遮攔比增大而減小;當(dāng)遮攔比中等大小時(shí)，湍流對(duì)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(jié)果對(duì)實(shí)際應(yīng)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(dāng)天頂角θ（傳輸路徑與豎直方向的夾角）不大時(shí)，隨傳輸距離的增大不會(huì)出現(xiàn)閃爍飽和效應(yīng)。然而，當(dāng)天頂角θ不大時(shí)，軸上光束閃爍指數(shù)會(huì)趨于一個(gè)漸近值，且這個(gè)漸進(jìn)值隨著θ增大而增大，并且與環(huán)狀光束的遮攔比ε有關(guān)。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(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者的關(guān)系隨著天頂角θ的變化而變化。本論文對(duì)所得結(jié)果給出了合理的物理解釋，所得結(jié)果對(duì)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(jié)構(gòu)常數(shù)是高度的函數(shù)，上行與下行路徑大氣湍流對(duì)激光傳輸特性的影響是非常不同的。當(dāng)天頂角θ不大時(shí)，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(dāng)天項(xiàng)角θ足夠大時(shí)，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(dāng)θ不大時(shí)σ2Iup