多功能长光程湍流池设计研究

发布时间：2017-08-25 09:26

  本文关键词：多功能长光程湍流池设计研究

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【摘要】：激光通信有着保密性强、抗干扰性强、传输速度快和功耗低等优点,已经成为目前无线通信领域最为活跃的研究方向之一。实现空间激光通信,将对我国在信息时代的今天掌握主动权以及推动信息化产业迅速发展等有着重要意义。由于光束在大气里传播时会受到大气湍流干扰,研究激光光束在大气中传输特性已经成为当务之急。然而,外场实验条件下激光通信实验存在可重复性差、资源耗费大等缺点,因此,研制室内湍流发生装置具有重要的现实意义与研究价值。本文首先通过分析和比较了国内外大气湍流发生装置,并根据冷、热风式的复合气流原理研制了一种具有温度、风速以及光程均可调节的多功能室内大气湍流发生装置。其次,为了达到在有限体积的湍流池内实现激光长距离传输目的,将改进的Herriott cell型光学长程池应用到本湍流发生装置当中,并利用PID控制技术对湍流池内的温度进行精确地控制,在达到最大传输100m距离的同时又克服了大气湍流发生装置中的滞后性、大惯性等缺点。最后,利用光束分析仪测量不同温度下的光束质量因子M2以及光强波动和到达角的方法测量湍流内尺度0l,分别通过Tatarskii湍流理论以及Hill湍流理论模型计算得到了结构常数2nC。结果表明,大气折射率的改变对激光光学特性的影响起到了主要作用,大气密度起伏主要由温度起伏来决定,而风速只是影响了湍流的动态特性。实验与理论模型基本吻合,验证了该湍流发生装置可行性,具有一定的应用前景。
【关键词】：湍流池 长光程 M2因子 湍流内尺度 结构常数
【学位授予单位】：太原科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.1
【目录】：

• 中文摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-13
• 1.1 课题背景及研究目的和意义9-10
• 1.2 国内外室内湍流模拟装置的研究状况10-12
• 1.2.1 国外湍流模拟装置的研究状况10-11
• 1.2.2 国内湍流模拟装置的研究状况11-12
• 1.3 本论文的主要研究内容12-13
• 第二章 湍流效应对激光传输的影响13-27
• 2.1 大气湍流的形成14
• 2.2 大气湍流的基本特性14-15
• 2.3 湍流的统计特性15-16
• 2.4 激光光束在湍流中传输特性16-21
• 2.4.1 光强起伏16
• 2.4.2 光束漂移16-17
• 2.4.3 光束扩展17-19
• 2.4.4 相位起伏19-20
• 2.4.5 到达角起伏20-21
• 2.5 大气湍流参数的测量21-25
• 2.5.1 折射率结构常数的测量21-22
• 2.5.2 空间相干长度和大气相干长度的测量22-23
• 2.5.3 湍流外尺度的测量23
• 2.5.4 湍流内尺度的测量23-24
• 2.5.5 到达角起伏的测量24-25
• 2.6 本章小结25-27
• 第三章 大气湍流模拟装置设计27-39
• 3.1 大气湍流模拟装置的整体设计27-28
• 3.2 Herriott cell型光学长程池28-33
• 3.2.1 光束传输29
• 3.2.2 再进入条件29-33
• 3.3 电路系统33-36
• 3.3.1 嵌入式控制系统34
• 3.3.2 PID控制34-35
• 3.3.3 加热装置35
• 3.3.4 制冷装置35-36
• 3.4 光学测试系统36-37
• 3.4.1 激光光束分析仪36-37
• 3.4.2 光束分析软件37
• 3.5 本章小结37-39
• 第四章 湍流结构常数测量39-57
• 4.1 M2因子法测量折射率结构常数39-48
• 4.1.1 光束质量因子M2的测量原理40-42
• 4.1.2 M2因子实验测量方法42-44
• 4.1.3 实验结果与分析44-48
• 4.2 内尺度法测量折射率结构常数48-55
• 4.2.1 测量原理48-49
• 4.2.2 测量系统49-51
• 4.2.3 实验结果与分析51-55
• 4.3 本章小结55-57
• 第五章 总结与展望57-59
• 5.1 全文总结57
• 5.2 展望未来57-59
• 参考文献59-65
• 致谢65-67
• 攻读学位期间发表的学术论文目录67-68

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本文编号：736316