湍流介質中部分相干光束與渦旋電磁束傳輸的若干問題及其應用研究.pdf

1、隨著光波探測成像和無線光通信技術的快速進步，光波（電磁波）在隨機介質和光學系統(tǒng)中的傳播和演化規(guī)律越來越受到技術界的高度重視。本文以光波成像和通信等應用需求為背景，研究平面波、球面波和部分相干激光束以及攜帶有軌道角動量的電磁波束在滿足非柯爾莫哥諾夫統(tǒng)計特性和各向異性的湍流介質中的傳輸演化規(guī)律以及作為通信載波在湍流信道中傳送信息的能力。
　　基于修正Rytov理論，在小尺度閃爍被大尺度閃爍調制的框架下，研究了部分相干高斯激光束通過強起

2、伏非柯爾莫哥諾夫湍流傳輸的強度起伏以及閃爍平滑效應，得到了孔徑接收條件下該光束強度起伏的半解析表達式;在Gamma-Gamma信道衰落模型下，研究了基于高斯-謝爾光束的自由空間光學系統(tǒng)的各態(tài)歷經信道容量;分析了湍流譜指數、光源空間相干性以及接收孔徑尺寸對信號閃爍和通信容量的影響。采用弱起伏理論和廣義的大氣湍流譜模型，獲得了高斯-謝爾光束通過非柯爾莫哥諾夫湍流傳輸強度起伏的近似表達式，以及球面波和平面波閃爍方差的解析表達式;分析了湍流內外

3、尺度和譜指數對光束閃爍特性的影響規(guī)律;在對數-正態(tài)信道衰落模型下，研究了該自由空間光學系統(tǒng)的通信性能。采用Rytov近似和廣義的大氣湍流譜，在弱起伏條件下，研究了時間積分的平面波閃爍方差。另外，利用廣義Von-Karmon譜和圓環(huán)孔徑濾波函數，研究了弱起伏條件下球面波在非柯爾莫哥諾夫湍流中傳輸閃爍的圓環(huán)孔徑接收平均因子;分析了湍流譜指數、內尺度對圓環(huán)孔徑平均效應的影響。
　　采用廣義惠更斯-菲涅爾原理和部分相干光束通過ABCD光學

4、系統(tǒng)傳輸的柯林斯公式，推導得到了多高斯-謝爾模型光束通過失調光學系統(tǒng)演化的互譜密度的解析表達式，以及在非柯爾莫哥諾夫湍流中光束擴展的精確表達式;分析了湍流內外尺度及譜指數對該光束擴展的影響。焦面處場的譜相干度變?yōu)楦咚咕€型;湍流內尺度和該光源的相關尺度及譜指數對湍流大氣中該光束的展寬影響顯著。采用光波在湍流介質中存在光學系統(tǒng)時的波束傳輸理論，推導得到了貝塞爾-高斯-謝爾模型光束和拉蓋爾-高斯-謝爾模型光束傳輸演化的譜密度單重積分表達式和光

5、束擴展的解析式;分析了光源空間相干參數和湍流參數對該類光束演化的影響。
　　采用電磁波束的軌道角動量理論，研究了幾類部分空間相干光束的OAM譜特性，結果表明:不同部分空間相干性的光束有著顯著不同的OAM譜特性。為了進一步提高通信系統(tǒng)的容量，把OAM復用技術與多輸入多輸出技術結合，研究了圓對稱7×7毫米波準光陣列系統(tǒng)的通信容量;分析表明OAM技術與MIMO結合可以極大提高系統(tǒng)容量，然而收發(fā)端陣列指向的偏移誤差對MIMO-OAM系統(tǒng)容

6、量有顯著影響。推導得到了球面波在各向異性非柯爾莫哥諾夫湍流中傳輸的相位結構函數及波結構函數，基于該波結構函數和微擾理論，研究了湍流的各向異性特性對單光子軌道角動量譜特性的影響，分析了不同湍流條件下接收到原始發(fā)送OAM態(tài)的概率;進而計算了利用11個不同態(tài)傳輸時的信道容量。在強起伏條件下，推導得到了LG光束通過各向異性湍流傳輸的互譜密度的解析式，基于互譜密度進而分析了強起伏各向異性湍流中LG光束OAM譜的彌散特性;結果表明強起伏湍流中，光束