1 西安理工大学 自动化与信息工程学院，西安 710048
2 西安工程大学 电子信息学院，西安 710048
3 兰州理工大学 计算机与通信学院，兰州 730050
4 西安工业大学 电子信息工程学院，西安710021
5 陕西省智能协同网络军民共建重点实验室，西安 710048
为了克服大气湍流效应对无线光通信系统性能的影响，必须建立能准确描述大气折射率起伏的湍流模型。总结了国内外学者在大气湍流模型方面的研究进展，对不同大气湍流模型的理论建立进行深入分析并对比了其适用范围，同时介绍了在实际大气湍流中实验测量所建立的大气信道模型，最后对大气湍流模型的发展趋势进行了展望。
无线光通信 大气湍流效应 大气湍流模型 Kolmogorov谱 大气信道模型 wireless optical communication, atmospheric turbul
强激光与粒子束
2023, 35(4): 041007
为快速预测和评估高能激光大气传输时湍流和热晕对光束扩展的影响，开展了激光大气传输光束扩展的定标规律研究。通过计算模拟光束扩展随大气特征参量和激光参数的变化规律，建立了含湍流和热晕综合效应的激光大气传输光束扩展的定标关系。由此定标关系可知，当激光的初始光束质量较差时，由衍射和湍流引起的光束扩展随发射系统口径与大气相干长度之比的增大而更快地增强。随着发射系统菲涅耳数的增大，光束扩展受热晕的影响也随之增强。所建立的定标关系适用于不同强度的湍流和热晕效应情况下对不同功率的激光光束扩展规律的快速预测和评估，可为激光系统的设计及优化提供参考。
光学学报
2022, 42(24): 2401008
光子学报
2022, 51(11): 1106006
潍坊学院物理与光电工程学院, 山东省高校多光子纠缠与操纵重点实 验室, 山东 潍坊 261061
基于 non-Kolmogorov 大气湍流谱理论, 建立了双量子比特路径纠缠态在大气湍流中传输的数学模型, 获得其纠缠退化的解析表达式, 并进行了数值仿真。研究结果表明: 当空间距离分布较小的双量子比特路径纠缠态在大气湍流中传输时, 其纠缠度的保真度较高; 同时, 较长波长的纠缠光在折射率功率谱指数 α 较大、广义湍流折射率结构起伏结构函数 C~2n 较大的 non-Kolmogorov 大气湍流中传输保真度较高。所建立的远距离纠缠态传输模型可定量分析纠缠退化问题, 为自适应低误码率的远距离大气量子通信提供了可靠的理论参考。
量子光学 大气光学 湍流效应 non-Kolmogorov 大气湍流 路径纠缠 共生纠缠度 quantum optics atmospheric optics turbulence effect non-Kolmogorov atmospheric turbulence spatial entanglement concurrence
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
4 脉冲功率激光技术国家重点实验室, 安徽 合肥, 230037
激光在大气传输过程中, 由于湍流折射率的随机起伏会引起波前畸变、光斑漂移、闪烁等一系列光学湍流效应, 因此严重制约了遥感成像系统和激光通信技术的发展。通过分析大气光学湍流对多个领域的影响, 指出了探测大气光学湍流廓线的重要意义。要想获取光学湍流的时空分布规律并准确评估光学湍流对光学成像或激光传输系统的影响, 就必须对光学湍流进行准确的测量。以光学湍流特征参数为视角, 介绍了目前国内外探测大气湍流廓线分布的方法和研究进展, 总结了各技术方法的测量原理及优缺点。最后对拟开展的差分波前激光雷达探测大气湍流廓线的方法进行了简要介绍, 该技术具有空间分辨率高且不存在聚焦焦移的探测优势。初步的仿真研究结果表明该雷达系统对大气光学湍流廓线的探测具有可行性。
大气湍流廓线 温度起伏 折射率起伏 激光雷达 湍流效应 turbulence profile temperature fluctuation refractive index fluctuation lidar turbulence effects
西安工程大学机电工程学院，陕西 西安 710048
文章在分析无线激光通信(FSO)存在两种主要的大气信道问题的基础上，针对激光大气信道问题尤其是在复杂湍流环境下的频率选择性衰落问题和多径效应问题，提出了基于正交频分复用(OFDM)的湍流效应抑制方法，构建了FSO-OFDM 系统，研究了该系统的基带模型以及信号的多载波调制与解调方法。分析了无线激光通信中存在复杂湍流环境下的大气信道问题，讨论了大气湍流影响下的平面波激光通信系统模型，建立了大气湍流影响下对数正态湍流通道的高斯光束空间光通信系统模型，推导了光波强度的概率密度函数，研究了利用信噪比概率密度函数分析各种大气湍流效应对系统性能影响的方法；设计了无线光通信系统的OFDM 多载波调制方案，构建了FSO-OFDM 系统基带模式模型，并基于该模型研究了其信号的调制与解调原理。最后，采用MATLAB 编程实现FSO-OFDM 系统，对多径干扰下的FSO 通信系统进行仿真实验，进行了不同保护间隔下的误码率特性实验，验证了FSO-OFDM 系统具有很强的抗多径干扰和频谱选择性衰落能力以及良好的BER 性能，可有效解决码间干扰大、链路不可靠的问题，具有非常广泛的应用前景和使用价值。
无线光通信 湍流效应 正交频分复用 多径衰落 误码率 free space optics turbulence effect orthogonal frequency division multiplexing multipath fading bit error rate
1 中国工程物理研究院 高能激光重点实验室, 四川 绵阳 621900
2 中国工程物理研究院 应用电子学研究所,四川 绵阳 621900
3 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
研究了相同马赫数、相近雷诺数、不同口径(400 mm和2 000 mm)共形转塔的气动光学效应,系统地给出了发射方向不同时气动光学效应导致的光束倾斜角和光束质量因子的时间变化特性、统计特性以及时间相关特性。发现多数场景下气动光学效应中平均流场效应占主要部分,平均流场效应的特征频率由绕流流场的特征频率决定。尺寸效应的研究表明, 缩比实验可以有效模拟实际飞行状态下气动光学效应的统计特性,但无法准确模拟其时间相关特性。开展了前向发射时发射方向的优化选择,指出发射方向在中轴线上天顶角约为40°时,气动光学效应导致的波前畸变统计值和涨落值最小,并且发射光束半径增加会导致平均流场效应快速增加,但湍流效应基本不变。
砖塔半径 平均流场效应 湍流效应 光束质量 倾斜 radius of turret mean flow effect turbulent effect beam quality tilt
中国科学院安徽光学精密机械研究所,中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
基于非Kolmogorov湍流谱理论,建立了激光在非Kolmogorov谱湍流大气中 传输的数学物理模型,并在此基础上进行了数值仿真。结果表明湍流谱指数对激光传输特性及其相位补偿有重要影响。 在相同广义大气折射率结构常数条件下,湍流谱指数接近区间(3,4)两端时,激光远场光束质量较好;湍流谱指数趋向4时 自适应光学相位补偿效果较好。在广义大气相干长度相同的条件下,峰值Strehl比随湍流谱指数增加而增加。 针对归一化功率谱下激光传输特性进行了探讨,初步揭示了激光在非Kolmogorov湍流大气中的传输机理。
大气光学 湍流效应 非Kolmogorov谱 自适应光学 相位补偿 atmospheric optics turbulence effect non-Kolmogorov spectrum adaptive optics phase compensation
通过对相同马赫数、相近雷诺数、不同转塔口径(400 mm和2000 mm)的绕流流场模拟和气动光学效应进行分析,给出了不同发射方向时气动光学效应导致的光束倾斜角和光束质量因子的时间变化特性、统计特性以及时间相关特性。结果指出:多数场景下气动光学效应中平均流场效应占主要部分,平均流场效应的特征频率由绕流流场的特征频率决定。尺寸效应的研究表明:缩比实验可以有效模拟实际飞行状态下气动光学效应的统计特性,但无法准确模拟其时间相关特性。开展了前向发射时发射方向的优化选择,指出发射方向在中轴线上天顶角约为40°时,气动光学效应导致的波前畸变统计值和涨落值最小。分析了前向发射时发射口径的影响,指出发射光束半径增加会导致平均流场效应快速增加,但湍流效应基本不变。
大气光学 气动光学效应 时空特性 数值模拟 平均流场效应 湍流效应 光学学报
2018, 38(10): 1001002
