论文题目: 大气湍流间歇性及其对光波传播的影响
论文类型: 博士论文
论文专业: 理论物理
作者: 陈京元
导师: 陈式刚,王光瑞
关键词: 闪烁,大气湍流,间歇性,随机相位屏,自适应光学,数值模拟
文献来源: 中国工程物理研究院
发表年度: 2005
论文摘要: 当光波在大气中传播时,由于大气湍流的作用,其光束质量将会极大地恶化。本文以Tartaskii等前苏联学者于上世纪中叶以来建立的湍流介质中光波传播理论为指导,结合近年来湍流及大气湍流有关方面的研究进展,考虑地球大气湍流运动对在其中传播的光波性质的影响。 湍流的间歇性质是湍流运动的本质特征,多年来一直是现代湍流理论研究的中心问题之一。在地球大气湍流广阔的尺度背景下,湍流的间歇性表现出更丰富多彩的形态。研究光波在大气湍流介质中传播的性质,不应回避大气湍流间歇性。除了间歇性这一基本特点之外,真实大气湍流还表现出其它复杂的性质,如非均匀性,时间效应等等,它们对在其中传播的光波也将产生重要的影响,是具体应用问题中需要重点考虑的因素。湍流的这些特点在大尺度上表现得尤为突出。尽管目前人们仍然不可能揭示湍流间歇性等方面特征的物理实质,甚至无法给出它们完整的满意的描述,但经过大量研究者的长期努力,现在人们对于它们也有了一些初步的理解和认识。而且,为满足具体应用的需要,许多研究者根据实验或理论结果建立了许多相关的模型,包括间歇性模型,内尺度模型、外尺度模型、大气廓形模型、风模型等等。这些模型大多建立在实验基础之上,具有唯象的先验的性质,而并不构成严格的理论体系。本文将结合这些有关模型考虑大气湍流介质中光的传播问题,其中,对间歇性给予的较多的重视。 各种湍流模型都只描述了大气湍流的某一方面的特征,只能适用于某些特定的应用场合。另一方面,这些模型大都是根据有关实验结果拟合而得到的复杂表达式,将它们应用到实际光学问题中比较困难。问题的多样性和复杂性迫使我们考虑使用数值方法研究这一问题。本文主体部分即是应用数值模拟方法结合大气湍流的有关结果研究光波在地球大气湍流中传播问题的一次初步尝试。此外,本文构造出一个简单的自适应光学数值模拟系统,在更广阔的背景下考虑湍流中光传播及其校正的数值模拟问题。
论文目录:
摘要
Abstract
第一章 引言
1.1 研究背景
1.2 内容及组织
第二章 随机连续介质中光的传播基本理论概要
2.1 历史与现状
2.2 经典理论(弱涨落)
2.2.1 基本场方程及其解
2.2.2 对数振幅和相位起伏
2.2.3 对数幅度和相位相关函数
2.2.4 对数幅度和相位结构函数
2.2.5 谱滤波函数(光学传递函数)
2.3 现代理论(Gauss场情形)
2.3.1 基本场方程与统计矩方程
2.3.2 基本场方程解的路径积分表示
2.3.3 平均场方程
2.3.4 二阶统计矩
2.3.5 四阶统计矩及闪烁指数
2.3.6 强度起伏的概率分布
2.4 媒质整体间歇性的一种处理方案
参考文献
第三章 地球大气湍流状况及其对光传播的影响
3.1 湍流及其间歇性研究概况
3.1.1 湍流现象及问题
3.1.2 湍流研究的伟大成就：K41理论及其缺陷
3.1.3 湍流间歇性
3.1.3.1 间歇性及相干结构
3.1.3.2 间歇性唯象模型(小尺度)
3.1.3.3 间歇性动力系统图景
3.1.3.4 被动标量Kraichnan模型及湍流小尺度间歇性
3.1.3.5 湍流整体间歇性模型
3.2 大气湍流基本性质
3.3 与光传播有关的一些大气基本模型
3.3.1 折射率与被动标量
3.3.2 被动标量谱回顾
3.3.3 小尺度湍流与湍谱模型
3.3.3.1 Kolmogorov湍谱与及其间歇性校正
3.3.3.2 耗散谱与内尺度
3.3.3.3 含能谱与外尺度模型
3.3.3.4 同时考虑内外尺度的湍谱模型
3.3.3.5 一般幂律折射谱及非Kolmogorov湍流
3.3.4 大气廓形模型
3.3.4.1 连续大气模型
3.3.4.2 离散大气多层模型
3.3.5 时间效应与风模型
3.4 大气湍流中光波传播的一些基本结果(Gauss型介质)
3.4.1 对数振幅、相位起伏、以及大气光学传递函数
3.4.2 大气相干尺度与等晕角
3.4.3 大气湍流相干时间与Greenwood频率
3.4.4 闪烁指数
3.4.5 非Kolmogorov湍流时的一些结果
参考文献
第四章 间歇性湍流中的光波传播问题的分析
4.1 从Gauss型随机介质到非Gauss型随机介质
4.1.1 平均场方程
4.1.2 一般统计矩方程
4.1.3 二阶矩方程
4.1.4 四阶矩方程
4.2 一种非Gauss随机介质简化模型的应用
4.2.1 非Gauss场简化模型
4.2.2 模型待定函数与传统统计量间关系
4.2.3 有关限制和选择
4.2.3.1 统计均匀对激发形状及激发位置分布函数的要求
4.2.3.2 统计均匀对激发数量分布函数的限制
4.2.3.3 Markov性的要求
4.2.4 确定另外两个待定函数
4.2.4.1 确定形状函数
4.2.4.2 确定特征函数
4.2.5 光场统计性质
4.3 Gauss场附近的级数展开解
4.3.1 按各阶累积函数的级数展开
4.3.2 平均场方程
4.3.3 二阶矩方程
4.3.4 四阶矩方程
4.4 唯象模型在二阶矩方程中的应用
4.4.1 折射率起伏增量差统计分布
4.4.2 光场二阶矩方程中的湍流特征量
4.4.3 光波场二阶统计矩与间歇性
4.4.4 湍流二阶矩间歇性对光场的影响
参考文献
第五章 光在大气湍流中传播的数值模拟
5.1 光在大气湍流中传播的数值模拟概况
5.2 模拟的基本原理和方法
5.2.1 相互作用表象算法
5.2.2 应用到湍流介质中光传播问题
5.2.2.1 湍流的模拟(Gauss型相位屏)
5.2.2.2 非Gauss型简化湍流的随机相屏实现
5.2.2.3 真空中光波传播
5.2.3 一些有关的重要尺度
5.2.4 模拟的基本要求和限制
5.2.5 近似及误差说明
5.3 数值模拟程序概要说明
5.4 大气湍流的模拟结果
5.4.1 折射屏示例
5.4.1.1 Gauss型随机折射屏
5.4.1.2 非Gauss型随机折射屏
5.4.2 折射屏的统计性质
5.4.2.1 Gauss型随机折射屏与分谐波
5.4.2.2 非Gauss型折射屏
5.5 光学传播的模拟
5.5.1 通过湍流的传播过程
5.5.1.1 通过单一折射屏的传播
5.5.1.2 强度闪烁模拟
5.5.1.3 地球大气模型与多层折射屏
5.5.2 受扰光场的统计分析例子
5.5.2.1 幅度或强度涨落方差
5.5.2.2 单点概率分布函数
参考文献
第六章 大气湍流光学效应的自适应校正及其模拟
6.1 光通过湍流大气的波前畸变
6.2 自适应光学基础
6.2.1 基本原理
6.2.2 发展简史
6.2.3 基本组成部分及其数值模型
6.2.3.1 波前探测器
6.2.3.2 波前校正器
6.2.3.3 波前控制器
6.2.4 波前误差残余
6.2.5 性能评价
6.3 波前畸变校正模拟
6.3.1 系统的简化模拟
6.3.2 波前畸变的分解与合成
6.3.3 波前畸变校正模拟
6.3.4 波前畸变校正误差
6.3.4.1 变形镜拟合误差
6.3.4.2 伺服误差
6.3.4.3 非等晕误差
参考文献
致谢
发布时间: 2005-10-21
参考文献
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