湍流介質(zhì)中部分相干光束與渦旋電磁束傳輸?shù)娜舾蓡?wèn)題及其應(yīng)用研究.pdf

1、隨著光波探測(cè)成像和無(wú)線光通信技術(shù)的快速進(jìn)步，光波（電磁波）在隨機(jī)介質(zhì)和光學(xué)系統(tǒng)中的傳播和演化規(guī)律越來(lái)越受到技術(shù)界的高度重視。本文以光波成像和通信等應(yīng)用需求為背景，研究平面波、球面波和部分相干激光束以及攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁波束在滿足非柯?tīng)柲缰Z夫統(tǒng)計(jì)特性和各向異性的湍流介質(zhì)中的傳輸演化規(guī)律以及作為通信載波在湍流信道中傳送信息的能力。
　　基于修正Rytov理論，在小尺度閃爍被大尺度閃爍調(diào)制的框架下，研究了部分相干高斯激光束通過(guò)強(qiáng)起

2、伏非柯?tīng)柲缰Z夫湍流傳輸?shù)膹?qiáng)度起伏以及閃爍平滑效應(yīng)，得到了孔徑接收條件下該光束強(qiáng)度起伏的半解析表達(dá)式;在Gamma-Gamma信道衰落模型下，研究了基于高斯-謝爾光束的自由空間光學(xué)系統(tǒng)的各態(tài)歷經(jīng)信道容量;分析了湍流譜指數(shù)、光源空間相干性以及接收孔徑尺寸對(duì)信號(hào)閃爍和通信容量的影響。采用弱起伏理論和廣義的大氣湍流譜模型，獲得了高斯-謝爾光束通過(guò)非柯?tīng)柲缰Z夫湍流傳輸強(qiáng)度起伏的近似表達(dá)式，以及球面波和平面波閃爍方差的解析表達(dá)式;分析了湍流內(nèi)外

3、尺度和譜指數(shù)對(duì)光束閃爍特性的影響規(guī)律;在對(duì)數(shù)-正態(tài)信道衰落模型下，研究了該自由空間光學(xué)系統(tǒng)的通信性能。采用Rytov近似和廣義的大氣湍流譜，在弱起伏條件下，研究了時(shí)間積分的平面波閃爍方差。另外，利用廣義Von-Karmon譜和圓環(huán)孔徑濾波函數(shù)，研究了弱起伏條件下球面波在非柯?tīng)柲缰Z夫湍流中傳輸閃爍的圓環(huán)孔徑接收平均因子;分析了湍流譜指數(shù)、內(nèi)尺度對(duì)圓環(huán)孔徑平均效應(yīng)的影響。
　　采用廣義惠更斯-菲涅爾原理和部分相干光束通過(guò)ABCD光學(xué)

4、系統(tǒng)傳輸?shù)目铝炙构?，推?dǎo)得到了多高斯-謝爾模型光束通過(guò)失調(diào)光學(xué)系統(tǒng)演化的互譜密度的解析表達(dá)式，以及在非柯?tīng)柲缰Z夫湍流中光束擴(kuò)展的精確表達(dá)式;分析了湍流內(nèi)外尺度及譜指數(shù)對(duì)該光束擴(kuò)展的影響。焦面處場(chǎng)的譜相干度變?yōu)楦咚咕€型;湍流內(nèi)尺度和該光源的相關(guān)尺度及譜指數(shù)對(duì)湍流大氣中該光束的展寬影響顯著。采用光波在湍流介質(zhì)中存在光學(xué)系統(tǒng)時(shí)的波束傳輸理論，推導(dǎo)得到了貝塞爾-高斯-謝爾模型光束和拉蓋爾-高斯-謝爾模型光束傳輸演化的譜密度單重積分表達(dá)式和光

5、束擴(kuò)展的解析式;分析了光源空間相干參數(shù)和湍流參數(shù)對(duì)該類光束演化的影響。
　　采用電磁波束的軌道角動(dòng)量理論，研究了幾類部分空間相干光束的OAM譜特性，結(jié)果表明:不同部分空間相干性的光束有著顯著不同的OAM譜特性。為了進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)的容量，把OAM復(fù)用技術(shù)與多輸入多輸出技術(shù)結(jié)合，研究了圓對(duì)稱7×7毫米波準(zhǔn)光陣列系統(tǒng)的通信容量;分析表明OAM技術(shù)與MIMO結(jié)合可以極大提高系統(tǒng)容量，然而收發(fā)端陣列指向的偏移誤差對(duì)MIMO-OAM系統(tǒng)容

6、量有顯著影響。推導(dǎo)得到了球面波在各向異性非柯?tīng)柲缰Z夫湍流中傳輸?shù)南辔唤Y(jié)構(gòu)函數(shù)及波結(jié)構(gòu)函數(shù)，基于該波結(jié)構(gòu)函數(shù)和微擾理論，研究了湍流的各向異性特性對(duì)單光子軌道角動(dòng)量譜特性的影響，分析了不同湍流條件下接收到原始發(fā)送OAM態(tài)的概率;進(jìn)而計(jì)算了利用11個(gè)不同態(tài)傳輸時(shí)的信道容量。在強(qiáng)起伏條件下，推導(dǎo)得到了LG光束通過(guò)各向異性湍流傳輸?shù)幕プV密度的解析式，基于互譜密度進(jìn)而分析了強(qiáng)起伏各向異性湍流中LG光束OAM譜的彌散特性;結(jié)果表明強(qiáng)起伏湍流中，光束