环状光束在大气湍流中沿斜程路径传输的闪烁特性和能量集中度的研究

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3、环状光束在大气湍流中沿斜程路径传输的闪烁特性和能量集中度的研究光学专业研究生：陈鸿指导教师：季小玲摘要：大气湍流引起的光闪烁会导致信噪比降低和误码率上升，光闪烁严重地制约着自由空间光通信系统、遥感系统、成像系统等性能的发挥。大气湍流还会导致光束能量集中度降低，使得激光在大气湍流环境下的应用受到限制。激光通过环状光阑会产生环状光束，环状光阑存在于许多望远镜系统中，而激光卫星通信、自由空间光通信系统的发射和接收装置以及激光武器发射装置中都采用这种望远镜系统。此外，非稳腔产生的高功率激光通常也是环状光束。在激光通信、激光测距以及激光武器等应用中，不

4、可避免地会遇到激光在大气湍流中沿斜程路径传输的情况。因此，研究环状光束在大气湍流中沿斜程路径传输的闪烁特性和能量集中度具有非常重要的意义。本论文的主要研究工作包括：1.研究了环状光束在大气湍流中沿斜程路径（上行）传输的光束能量集中度。采用数值模拟的方法，选取相对二阶矩束宽wR，、β参数和能量斯特列尔比(SRE)作为湍流对光束能量集中度影响的评价参数，研究了斜程大气湍流对环状光束能量集中度的影响。研究发现：一般来说，大气湍流对厚的环状光束(遮拦比ε较小)能量集中度的影响大，对薄的环状光束(ε较大)影响小。然而，wR、β参数和SRE随ε的变化规律是非常不同的

5、，即：wR随ε增加而单调减小，而β参数和SRE随ε增加呈非单调变化。β参数会出现一个最大值(对应厚的环状光束)和一个最小值（对应薄的环状光束），而环状光束的SRE仅存在一个最大值（对应薄的环状光束），即：大气湍流对按照给定桶中功率百分比定义的能量集中度与给定桶半径内所含能量定义的能量集中度的影响是不同的。β参数达到最大值和最小值，以及SRE达到最大值对应的环状光束遮拦比ε几乎与斜程传输的天顶角无关。β参数取最小值和SRE取最大值时表示环状光束能量集中度受湍流影响最小，在实际应用中可加以利用；而β参数取最大值时表示环状光束能量集中度受湍流影响最大，在实际应

6、用中应避免。另外，本论文还采用桶中功率为86.5%定义的环围功率束宽作为能量集中度的II评价参数，研究了大气湍流对环状光束能量集中度的影响。研究表明：光束能量集中度随着遮拦比和天顶角的增大而变差，大气湍流对光束能量集中度的影响也随天顶角的增大而增大。但是，当遮拦比较大或较小时，湍流对光束能量集中度的影响随遮拦比增大而减小；当遮拦比中等大小时，湍流对光束能量集中度的影响几乎不随遮拦比而变化。研究发现：按照桶中功率不同百分比定义的环状光束能量集中度受大气湍流影响规律是不同的，这些结果对实际应用具有重要意义。2.研究了环状光束在大气湍流中沿斜程路径（上行）传输

7、的闪烁特性。研究发现了沿斜程路径传输不同与水平路径传输的新规律，即：当天顶角θ(传输路径与竖直方向的夹角)不大时，随传输距离的增大不会出现闪烁饱和效应。然而，当天顶角θ不大时，轴上光束闪烁指数会趋于一个渐近值，且这个渐进值随着θ增大而增大，并且与环状光束的遮拦比ε有关。另一方面，本论文还研究了环状光束与平顶光束轴上光束闪烁指数的关系，发现两者的关系随着天顶角θ的变化而变化。本论文对所得结果给出了合理的物理解释，所得结果对自由空间激光通信具有重要意义。3.研究比较了环状光束在大气湍流中沿上行和下行路径的传输特性。研究发现：由于湍流折射率结构常数是高度的函数

8、，上行与下行路径大气湍流对激光传输特性的影响是非常不同的。当天顶角θ不大时，无论