阵列光束在湍流大气中的传输及目标散射回波特性

发布时间：2017-12-23 11:28

  本文关键词：阵列光束在湍流大气中的传输及目标散射回波特性　出处：《西安电子科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：激光在大气信道中传输时由于受大气湍流的影响,使到达接收机端的光信号产生光束展宽、漂移、闪烁、到达角起伏等一系列湍流效应,严重制约了激光在空间激光通信、激光雷达、激光测距和激光遥感等方面的应用。研究表明部分相干光或阵列光束可有效降低大气湍流效应影响,因此,开展不同空间相干度的单束或阵列光束在湍流大气中的传输和目标散射特性研究具有重要意义和价值。本文基于广义Huygens-Fresnel原理和Rytov相位结构函数二次近似方法,研究了平顶高斯光束及几种阵列光束(高斯阵列光束、高斯-谢尔模阵列光束、电磁高斯-谢尔模阵列光束)在湍流大气中的传播特性,并结合Goodman提出的高斯随机粗糙表面散射简化模型,研究了高斯-谢尔模阵列光束经粗糙面和漫反射目标散射回波的二阶统计特性。主要研究内容包括以下几个方面：1.根据斜程传输理论及ITU-R提出的大气折射率结构常数高度模型,将Rytov方法推广应用于非Kolmogorov湍流中的斜程传输问题研究,推导了平顶高斯光束(Flattened Gaussian Beam, FGB)在斜程非Kolmogorov湍流大气中传输时的平均光强、二阶矩束宽与相对束宽以及弱起伏条件下的轴上闪烁指数表达式,数值分析了光源束腰大小、光束阶数、湍流广义指数、传输距离、传输天顶角等参量对平顶高斯光束在斜程非Colmogorov湍流大气中的传输变换特性的影响,并与高斯光束做了比较。2.根据广义Huygens-Fresnel原理,基于大气湍流的非Kolmogorov谱,推导了高斯阵列光束在湍流大气中的二阶矩束宽表达式,并结合Rytov近似方法推导了其在弱湍流条件下的闪烁指数表达式,分析了径向半径、光束数目、广义指数及传输距离对高斯阵列光束在非Kolmogorov湍流中的扩展特性及轴上和离轴闪烁指数的影响。3.利用Rytov相位结构函数二次近似和积分变换方法,推导了相干合成与非相干合成径向高斯-谢尔模(Gaussian Schell-Model,GSM)阵列光束的交叉谱密度函数表达式,研究了相干合成与非相干合成径向高斯-谢尔模阵列光束在湍流大气中的光束扩展和空间相干特性,并研究了非相干合成径向GSM阵列光束的光强闪烁特性。结果表明GSM阵列光束在非相干合成时比相干合成时的光束扩展、空间相干度及光强闪烁受湍流影响要小。4.根据随机电磁光束的相干-偏振统一理论,推导了电磁高斯-谢尔模(Electromagnetic Gaussian Schell-Model, EGSM)阵列光束在非Kolmogorov湍流大气中的交叉谱密度矩阵(Cross Spectral Density Matrix, CSDM)单元表达式,研究了EGSM阵列光束在非Kolmogorov湍流大气中的平均光强、光束展宽、远场发散角、偏振度P、偏振方向角及椭偏率的传输变换特性。结果表明,当传输距离L较近时,光源初始参量(径向半径r0、两分量的相干长度σ0xx比、σ0yy及振幅大小Ax、A,等)对EGSM阵列光束的扩展和偏振特性起主导作用；当传输距离L较远时,湍流效应的影响逐渐超过光源参量的影响,并逐渐对光束扩展和偏振特性起主导作用,这与在自由空间中传输时的情况存在差异。5.考虑水平双程湍流大气影响和相位扰动占优势的假设下,利用Goodman提出的高斯随机粗糙表面散射理论,推导了径向GSM阵列光束在双程湍流大气中经高斯粗糙表面后向散射到达接收面处的互相干函数,当lc→0时该函数可退化到漫反射目标时的情况。详细讨论了光源参量、目标特征及湍流效应对散射回波平均光强和空间相干性的影响。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O357.5;O435

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本文编号：1323670