电磁高斯谢尔模型光束在大气湍流中的传输特性研究

论文摘要

由于大气中存在湍流,故激光在其中传输时会产生一系列的湍流效应,使光束发生变化从而影响了光束质量。制约了其在雷达、遥感以及通信技术等方面的应用,因此研究激光在传输过程中的传输特性显得尤为重要。近年来,部分科研人员的研究结果表明部分相干光束受湍流影响情况要小于完全相干光束,而电磁高斯谢尔模型（EGSM）是典型的部分相干光束模型,故研究其在大气湍流中的传输情况具有实际意义。本文基于惠更斯-菲涅尔原理和维格纳分布函数的二阶矩定义,研究了 EGSM光束在非均匀大气湍流中的传输情况、EGSM阵列光束在Tatarskii湍流中和non-Kolmogorov湍流中的传输情况、以及EGSM涡旋光束在non-Kolmogorov湍流中的传输特性。主要研究内容与结果如下所示:1、本文推导出了 EGSM光束在非均匀大气湍流传输过程中,其均方根角扩展、均方根空间扩展、以及M2因子的解析式。同时通过数值模拟,详细分析了湍流参数（湍流外尺度、湍流内尺度、天顶角）和光束参数（束宽、相干长度、波长）的变化对相对均方根空间扩展、相对均方根角扩展以及相对M2因子的影响。研究结果表明,当天顶角γ=π/6时,相对均方根角扩展、相对均方根空间扩展以及相对M2因子饱和传输距离大约分别为0.3km、3km和20km。此外,当初始偏振度逐渐减为0的过程中,相对M2因子逐渐减小。2、推导了电磁高斯谢尔模型阵列（EGSMA）光束在Tatarskii湍流以及non-Kolmogorov湍流中传输时M2因子的解析式,同时并将厄米高斯相关谢尔模型（HGCSM）光束的漂移特性与EGSMA光束在non-Kolmogorov湍流的漂移特性做了对比分析。研究表明EGSMA光束在Tatarskii湍流中以及non-Kolmogorov湍流中传输时,σ0x越小,光束质量越好,同时随着N的增大,受湍流影响较小,质量越高。在对比两种光束在non-Kolmogorov湍流中的传输情况时,发现其相对均方根漂移都随着折射率结构常数的增大而增大,说明漂移受湍流影响明显。3、研究了 EGSM涡旋光束在non-Kolmogorov中的传输情况,得到了其M2因子解析式以及漂移的表达式。数值分析了束宽、广义指数参数、相干长度、折射率结构常数等参数对相对M2因子和相对漂移的影响。结果表明,当传输距离小于2km时,相对均方根漂移Bwr增加较快,当传输距离增大其增长变缓,最后趋于稳定状态;当传输距离大于2km时,M2因子增长的速度较快。同时研究表明光束扩展对光束参数与湍流参数比漂移对这些参数的变化更为敏感。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 激光光束的研究背景及现状
•   1.2 大气湍流的基本性质
•   1.3 光束的传输特性
•   1.4 本文研究意义及各章节安排
• 第二章 基本理论与方法
•   2.1 激光光束模型介绍
•     2.1.1 部分相干光理论
•     2.1.2 高斯谢尔模型光束
•     2.1.3 电磁高斯谢尔模型光束
•     2.1.4 电磁高斯谢尔模型阵列光束
•   2.2 湍流基本理论
•     2.2.1 大气湍流与一般湍流的区别
•     2.2.2 大气湍流结构常数
•     2.2.3 大气折射率起伏功率谱模型
•   2.3 激光在大气湍流中的传输特性及研究方法
•     2.3.1 广义扩展Huygens-Fresnel原理
•     2.3.2 Wigner分布函数
•     2.3.3 强度矩理论
• 2因子'>第三章 电磁高斯谢尔模型光束在非均匀大气湍流中的光束扩展和M²因子
•   3.1 理论模型与公式
•   3.2 数值分析
•   3.3 小结
• 第四章 电磁高斯谢尔模型阵列光束的传输特性研究
• 2因子的计算'>  4.1 M²因子的计算
• 2因子的数值模拟'>    4.1.1 EGSMA光束在Tatarskii湍流中传输的M²因子的数值模拟
• 2因子的数值模拟'>    4.1.2 EGSMA光束在non-Kolmogorov湍流中传输的M²因子的数值模拟
•   4.2 光束漂移
•     4.2.1 EGSMA光束的漂移现象
•     4.2.2 厄米高斯相关谢尔模型光束的漂移现象
•   4.3 小结
• 2因子和漂移'>第五章 电磁高斯谢尔模型涡旋光束在non-Kolmogorov湍流中的M²因子和漂移
•   5.1 理论模型
• 2因子'>    5.1.1 EGSM涡旋光束在non-Kolmogorov湍流中传输的M²因子
•     5.1.2 EGSM涡旋光束在non-Kolmogorov湍流中传输的漂移
•   5.2 数值模拟
•   5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文及科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张笔灵

导师: 徐勇根

关键词: 电磁高斯谢尔模型光束,湍流大气,因子,空间扩展,角扩展,漂移

来源: 西华大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 西华大学

分类号: TN24

DOI: 10.27411/d.cnki.gscgc.2019.000002

总页数: 70

文件大小: 5545K

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