斜程湍流大气中激光波束传输及目标回波特性

论文摘要

湍流大气中激光波束传输特性作为近代大气光学及其工程应用领域相当活跃的研究内容之一,对地-空路径的激光通信、成像、目标特征的提取与定标、遥感及激光制导和激光武器系统的开发和应用具有重要的指导作用和现实意义。本文围绕斜程湍流大气中激光波束传输与目标回波特性开展研究,主要成果如下:第一、讨论了斜程路径高斯波束的对数振幅方差随无量纲参量–发射和接收参数的变化关系,分析了高斯波束的光学湍流效应,当大气结构常数为定值时可以退化到水平传输情形的结果。数值计算了不同类型入射波的对数振幅方差随不同接收机高度、Fresnel比及接收机参数的变化关系。第二、通过在完全饱和情况高斯解的基础上添加非高斯修正项的方法推导了波在湍流大气中传输时强起伏情况场的（m + m）阶对称矩的解析解。其中高斯项部分可以由二阶矩的乘积和求得;非高斯修正项部分通过求其Rytov近似解得出。利用上述理论框架和解析求解方法导出了波在湍流介质中传播的四阶矩和八阶矩的解析解。高阶对称矩求解过程没有对湍流强度和入射波源作任何限定,所以所得解析解具有通用性。最后给出了平面波入射时的闪烁指数随湍流强度、天顶角以及传输距离的变化关系。第三、讨论了从弱到强大气湍流中光波传播闪烁和修正Rytov理论,给出了考虑湍流内、外尺度效应时斜路径高斯波束从弱起伏到强起伏区的闪烁指数统一理论模型。根据ITU-R大气结构常数C n2模型,分析了光波的斜径闪烁指数随Rytov方差的变化关系,其结果和实验的结果相符。该模型可退化到斜路径平面波和球面波的闪烁指数模型,也能在C n2为定值的条件下,简化到均匀湍流的水平传输波束闪烁模型。基于广义Huygens-Fresnel原理,利用Mellin变换技术,推导了激光波束的扩展半径和考虑外尺度效应时的漂移方差,并利用ITU-R湍流大气结构常数模型数值分析了不同接收机高度波束的扩展半径和漂移方差随传输距离的变化关系。第四、利用Huygens-Fresnel原理,考虑大气湍流对激光束从发射机到目标和从目标到接收机双程路径的影响,研究了斜程湍流大气中漫射目标和目标上含一个或多个镜反射点（该镜反射点半径远小于束宽）的散射统计特性。导出了考虑对数振幅和相位起伏影响,激光波束在湍流大气中斜程传输时其散射场的互相关函数、强度协方差和强度方差的计算公式,讨论了不同湍流强度、波长、目标高度和传播距离对它们的影响,以及镜反射点的半径和离轴远近对归一化强度方差的影响。第五、根据Rytov近似和ABCD传输矩阵表示法,应用Kolmogorov功率谱推导了双程斜路径湍流大气中平面镜和后向反射器回波的互相关函数、平均强度以及闪烁指数。当大气结构常数为一定值时均可以退化到水平传输情况,与以前文献中的结果一致。给出了高斯波束、球面波,平面波入射到平面镜和后向反射器上,反射波的数值计算结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 光波传播和散射的国内外研究现状
• 1.2.1 大气结构常数、谱模型的研究状况
• 1.2.2 随机介质波传播的矩方程和场的统计矩研究状况
• 1.2.3 湍流大气中光波斜程传输特性研究状况
• 1.2.4 双程传输问题研究状况
• 1.3 论文结构安排
• 1.4 论文创新点
• 第二章 湍流大气中激光波束传输理论
• 2.1 湍流介质简介
• 2.2 激光波束传输的有关参数
• 2.2.1 ITU-R 湍流大气结构常数模型
• 2.2.2 湍流的外尺度
• 2.2.3 湍流的内尺度
• 2.3 激光波束对数振幅方差
• 2.3.1 无量纲波束参量
• 2.3.2 斜程路径激光波束对数振幅方差
• 2.4 矩方程的一般形式
• 2.4.1 场的平均值
• 2.4.2 场的二阶矩
• 2.5 本章小结
• 第三章 湍流大气中场的高阶矩
• 3.1 引言
• 3.2 高阶对称矩的高斯项和非高斯修正项
• 3.2.1 高斯项的解
• 3.2.2 非高斯修正项的Rytov 近似解
• 3.2.3 高阶对称矩的一般解
• 3.3 场的四阶矩
• 3.3.1 高斯项的解
• 3.3.2 非高斯修正项的Rytov 近似解
• 3.3.3 解的一般形式
• 3.4 场的八阶矩
• 3.5 平面波闪烁指数
• 3.6 本章小结
• 第四章 斜程湍流大气中激光波束传输特性
• 4.1 斜程湍流大气中激光波束闪烁指数
• 4.1.1 斜程传输修正Rytov 理论
• 4.1.2 斜程路径考虑内、外尺度影响时激光波束闪烁指数模型
• 4.1.3 数值结果与分析
• 4.2 斜程湍流大气中激光波束展宽特性
• 4.2.1 广义惠更斯－菲涅尔原理
• 4.2.2 斜程路径波束的展宽特性
• 4.2.3 数值结果与分析
• 4.3 斜程湍流大气中考虑外尺度影响激光波束漂移特性
• 4.3.1 考虑外尺度影响激光波束漂移特性
• 4.3.2 数值结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 斜程湍流大气中漫射目标的激光回波特性
• 5.1 引言
• 5.2 双程斜路径湍流大气中漫射目标的散射特性
• 5.2.1 互相关函数
• 5.2.2 强度协方差以及强度方差
• 5.2.3 简短讨论
• 5.3 双程斜路径湍流大气中含镜像点目标的散射特性
• 5.3.1 互相关函数
• 5.3.2 强度协方差以及强度方差
• 5.3.3 数值结果与分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 斜程湍流大气中反射器回波的互相关函数
• 6.1 引言
• 6.2 后向散射波的描述
• 6.2.1 高斯波束参数
• 6.2.2 复相位扰动：传输矩阵表示法
• 6.3 互相关函数
• 6.3.1 点目标
• 6.3.2 无限大目标
• 6.4 平均强度
• 6.4.1 高斯波束入射
• 6.4.2 球面波入射
• 6.4.3 平面波入射
• 6.5 本章小结
• 第七章 斜程湍流大气中反射器回波的闪烁特性
• 7.1 波束经目标散射返回到接收机平面时的四阶相关函数
• 7.1.1 点目标
• 7.1.2 无限大目标
• 7.2 波束经目标散射返回到接收机平面时的闪烁指数
• 7.2.1 点目标
• 7.2.2 高斯波束入射
• 7.2.3 球面波入射
• 7.2.4 平面波入射
• 7.3 朗伯面
• 7.3.1 平均强度
• 7.3.2 闪烁指数
• 7.4 本章小结
• 第八章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表论文与参加科研情况