湍流大气中（光）波束传播的相关问题研究

论文摘要

本文从不同湍流层的大气结构常数模式出发,分析了包括各种气象因素在内的其它因素对该层大气结构常数的影响,为研究光波（束）在湍流大气中传播做了理论上的准备。同时,在建立微波段大气结构常数模型的基础上,结合修正Rytov方法并考虑了温度和相对湿度对这一波段大气结构常数的影响,推导出了微波段在湍流大气中水平和斜程路径传输时的闪烁指数,进行了数值分析。从量子论上反映微观粒子波包中心运动的Ehrenfest定理出发,通过对偶性原理给出了波束波在湍流大气中传播时的到达角起伏方差和重心漂移方差公式,并以准直和汇聚高斯波束为例作了具体分析,并给出了强起伏区波束漂移的饱和条件。同时利用推广的惠更斯-菲涅尔原理分析了大气湍流对纯漫射目标散射特性的影响,分析表明在中等湍流区,大气湍流导致的对数振幅起伏使强度方差略“大于1”,且改变了接收机处场的分布和强度分布。最后,结合修正Rytov方法和Born近似原理将水平双径传输问题推广到了斜程路径,研究了目标平面和接收机平面上波的强度起伏问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外发展动态
• 1.3 本文的内容安排
• 第二章 大气湍流概述
• 2.1 大气湍流模型
• 2.2 湍流模式的分类及相应模式下大气结构常数的估算
• 2.2.1 近地面层湍流
• 2.2.2 边界层湍流
• 2.2.3 自由大气层湍流
• 2.2.4 ITU-R 大气结构常数模型
• 2.3 大气折射率结构常数的测量方法
• 2.3.1 探空气球测量法
• 2.3.2 光学遥感测量法
• 2.3.3 雷达测量法
• 2.4 湿度对光波段大气结构常数的影响
• 2.4.1 大气结构常数与温度结构常数等相关量之间的关系
• 2.4.2 显热通量W ' T、潜热通量W ' Q 和温度结构常数的测量
• 2.4.3 湿度起伏的实验规律及分析
• 2.5 大气湍流折射率功率谱模型
• 2.6 本章小结
• 第三章 湍流大气中微波传输的闪烁研究
• 3.1 微波段大气结构常数模型的建立
• 3.2 水平传输时微波的闪烁问题分析
• 3.2.1 修正Rytov方法概述
• 3.2.2 零内尺度下微波段平面波的闪烁指数
• 3.2.3 零内尺度下微波段球面波的闪烁指数
• 3.2.4 非零内尺度下的微波闪烁指数
• 3.3 斜程传输时微波的闪烁问题分析
• 3.3.1 零内尺度下微波段平面波的闪烁指数
• 3.3.2 零内尺度下微波段球面波的闪烁指数
• 3.3.3 非零内尺度下微波段平面波的闪烁指数
• 3.3.4 非零内尺度下微波段球面波的闪烁指数
• 3.4 本章小结
• 第四章 湍流大气中（光）波束的漂移研究
• 4.1 光束漂移概述
• 4.2 Ehrenfest理论在处理波束漂移方面的应用
• 4.2.1 光学类Ehrenfest理论
• 4.2.2 有效折射率的统计特性
• 4.2.3 随机介质中波束的定向传输特性
• 4.2.4 湍流大气中波束漂移的计算
• 4.3 强湍流区的光束漂移
• 4.3.1 大气湍流折射率功率谱
• 4.3.2 不同谱模型下光束漂移方差公式的推导
• 4.3.3 光束漂移的数值分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 波束入射时大气湍流中漫射目标的散射特性
• 5.1 湍流大气中漫射目标的散射理论及模型
• 5.2 互相关函数、强度协方差和强度方差的计算
• 5.3 对数振幅起伏对漫射目标散射的影响和数值计算
• 5.3.1 不考虑大气湍流的影响
• 5.3.2 归一化强度方差的数值计算及分析
• 5.4 波束波斜程传输时漫射目标的散射特性
• 5.4.1 空间滤波函数及斜程闪烁指数
• 5.4.2 波束由发射机斜程到达目标平面时的闪烁特性
• 5.4.3 波束经目标散射返回到接收机平面时的闪烁特性
• 5.4.4 数值计算结果与分析
• 5.5 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间参加科研项目与发表论文情况