部分相干光束在大气湍流中传输的散斑特性

发布时间：2020-01-24 04:39

【摘要】：光束在大气湍流中传输时,大气湍流效应对光束进行强度和相位的随机调制,最终在远场处形成散斑。以部分相干高斯-谢尔模型(Gaussian-Schell Model,GSM)光束为研究对象,根据广义的HuygensFresnel原理、修正Von Karman谱模型,推导了GSM光束在大气湍流中传输时接收端光束的有效半径和平均散斑半径的表达式。利用数值计算对比分析光源相关参数和大气湍流对光束有效半径和平均散斑半径的影响。研究表明:光束的初始束腰半径越大、相干长度越小以及波长越小时,接收端光束的有效半径和平均散斑半径受湍流的影响越小;大气折射率结构常数越大,光束扩展越严重,此时平均散斑半径越小;光束有效半径和平均散斑半径随湍流外尺度增大几乎无变化,随湍流内尺度的增大而减小。所得出的结论对无线激光通信系统中光束的捕获、对准与跟踪(Acquisition,Pointing and Tracking,APT)系统的设计提供一个重要的参考价值。
【图文】：

鏺甙刖?部分相干GSM光束在大气湍流中从z=0平面传输到z>0平面上的传输示意图如图1所示。部分相干GSM准直光束在L=0处的交叉谱密度函数(Cross-SpectralDensityFunction,CSDF)可表示[11]为：W0(r1,r2;0)=exp-r12+r22w0222exp-|r1-r2|22σg222(1)式中：r=(x,y)为在发射端垂直于光束传播方向的矢量；w0代表源光束的束腰半径；σg为源场的相干长度,σg增大光束的相干程度增大，反之相干性变差，当σg→∞时，则源场为完全相干光。图1大气湍流中传输路径示意图Fig.1Schematicdiagramofpropagationpathinatmosphericturbulence在大气湍流中GSM光束从源平面z=0传输到接收平面z>0处，由广义Huygens-Fresnel原理[16]可知，，在接收端光束的CSDF为：W(ρ1,ρ2;L)=k2πL222乙dr1乙dr2W0(r1,r2;0)×expik2L(|ρ1-r1|2-|ρ2-r2|2乙乙)×<exp[ψ(ρ1,r1)+ψ*(ρ2-r2)]>(2)andthesmallerthemeanspeckleradiusis.Theeffectiveradiusandthemeanspeckleradiusofreceiverbeamdecreasewithincreasinginner-scaleofturbulence,buthavenearlynochangewithincreasingouter-scaleofturbulence.AnimportantreferencevaluewillbeprovidedforthedesignoftheAcquisition,TrackingandPointing(ATP)inatmosphericlasercommunicationsystem.Keywords:partiallycoherentbeam;atmosphericturbulence;meanspeckleradius;effectiveradius

鏺甙刖?部分相干GSM光束在大气湍流中从z=0平面传输到z>0平面上的传输示意图如图1所示。部分相干GSM准直光束在L=0处的交叉谱密度函数(Cross-SpectralDensityFunction,CSDF)可表示[11]为：W0(r1,r2;0)=exp-r12+r22w0222exp-|r1-r2|22σg222(1)式中：r=(x,y)为在发射端垂直于光束传播方向的矢量；w0代表源光束的束腰半径；σg为源场的相干长度,σg增大光束的相干程度增大，反之相干性变差，当σg→∞时，则源场为完全相干光。图1大气湍流中传输路径示意图Fig.1Schematicdiagramofpropagationpathinatmosphericturbulence在大气湍流中GSM光束从源平面z=0传输到接收平面z>0处，由广义Huygens-Fresnel原理[16]可知，在接收端光束的CSDF为：W(ρ1,ρ2;L)=k2πL222乙dr1乙dr2W0(r1,r2;0)×expik2L(|ρ1-r1|2-|ρ2-r2|2乙乙)×<exp[ψ(ρ1,r1)+ψ*(ρ2-r2)]>(2)andthesmallerthemeanspeckleradiusis.Theeffectiveradiusandthemeanspeckleradiusofreceiverbeamdecreasewithincreasinginner-scaleofturbulence,buthavenearlynochangewithincreasingouter-scaleofturbulence.AnimportantreferencevaluewillbeprovidedforthedesignoftheAcquisition,TrackingandPointing(ATP)inatmosphericlasercommunicationsystem.Keywords:partiallycoherentbeam;atmosphericturbulence;meanspeckleradius;effectiveradius

【参考文献】

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【共引文献】

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本文编号：2572543