強湍流下的光傳播

強湍流下的光傳播第1頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月強湍流下的光傳播問題閃爍飽和現(xiàn)象Retov方法的結果實驗觀察值閃爍飽和：當湍流強度增加到一定程度，歸一化光強方差不再增強，甚至有可能下降。幅度方差強度方差第2頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月基本思想：對從Maxwell方程推得的準光學方程進行平均。1.準光學方程的形式是：8.1處理強湍流中傳播問題的基本方法（一）“矩”方程法（Markov

近似）第3頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月導出準光學方程的假設條件是：(1)l遠小于所有重要的參數(shù)，可以略去消偏振和后向散射作用；(2)u在z方向變化緩慢：假設光沿在z軸傳播，于是可以把場寫為第4頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月對平均場強，就可以認為滿足：問題在于分離<n1u>,Tatarsky的假設是:(1)n1是一個具有零均值的高斯隨機變量，(2)n1的空間相關函數(shù)在Z向是一個d函數(shù)(Markov假設）：第5頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月在此假設條件下，得到的一些主要矩方程是：平均場：二階矩：11第6頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月四階矩：22式中：An(0)=4p2Fn(K)KdK而F22則是有關A的一個非常復雜的組合。注：按習慣的寫法，二階矩應寫為G12，四階矩應寫為：G1234，這種寫法太臃腫了，故采取了書中的寫法。下標中第一個數(shù)是取真值的點數(shù)，后一個數(shù)是取共軛值的點數(shù)。第7頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2.“矩”的一些具體應用(1)光強是一點二階矩：(2)光強的均方值是一點四階矩：(3)歸一化光強方差是：第8頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月束擴散和束漂移rCrSrSrL接收平面上的短期觀察圖象接收平面上的長期觀察圖象表現(xiàn)為束的擴散和瞬時的漂移表現(xiàn)為擴散了的光斑長期漂移積累，成為一個大光斑第9頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月“短期”和“長期”的判據(jù)第10頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月一次實驗的長期觀察光斑圖通道距離七千米第11頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月很明顯，在長期觀察時，有：<rL2>=<rc2>+<rs2>將<rc2>定義為光斑的“質(zhì)心”坐標，<rL2>定義為“均方力矩”，可得：和長期短期平均漂移量第12頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月平均場（相干場）8.2“矩”方程的一些主要結果其中：是光波在自由空間傳播的場。第13頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月對可見光和近紅外輻射而言，平均場強在數(shù)十米到數(shù)百米的距離上就幾乎降到了0。平均場的消失，說明相干通量密度|u|2也降到了0。在更遠距離上所觀察到的通量密度實際上都是非相干密度<uu*>。光傳播的縱向相干長度可以認為是平均場強下降到一定值時的距離，它的量級也是數(shù)十米到數(shù)百米。第14頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月結論:有湍流時，光束截面有很大的改變。第15頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月結論：隨著傳播距離的增加，相關距離逐步減小。第16頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月四階矩：22尚沒有一個普適的、公認的結果。比較一致的結論是當很大時，以的-2/5次方趨于某個量級為1的數(shù)。如Clifford的結果：Fante的結果：第19頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)大氣湍流由一些尺度從l0L0的渦旋或氣團組成，渦旋越大，折射率方差也越大;(2)統(tǒng)計均勻各向同性假設，使這些渦旋可以看成大致是個圓形;(3)折射率結構函數(shù)滿足2/3定律：8.3處理強湍流中傳播問題的基本方法（二）隨機“透鏡”假設第20頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月相位起伏的隨機透鏡解釋大尺度渦旋對兩條光線的相位影響大致相同與r尺度相當?shù)臏u旋產(chǎn)生最大的相位差小尺度渦旋基本上沒有影響r具體：

把渦旋看作一個個隨機分布的球形“透鏡”。第21頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月rrrrr將通道以r為單位分為若干區(qū)段，則兩條光線在長度為r的區(qū)段上的相位差是：由于故第22頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月而代入<Dn2>的表達式:在全通道上,則<Ds2(r,z)>~N<Ds12(r)>,顯然,N=z/r。第23頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月在傳播過程中,光線沒有改變方向,(因為折射率改變非常小)r沒有變化。而當r小于l0時，N=Z/l0?？紤]這些因素，可得：結論：與式（7.101）比較

這與用微擾法推得的結果只差一個常數(shù)。第24頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月幅度起伏的隨機透鏡解釋Z’Z-Z’ZlF2r起始面觀察面將渦旋看成是一個透鏡，對光線起聚焦或發(fā)散作用，焦距的量級F~l/Dn，從數(shù)量級的估計，F(xiàn)要大于實際應用的距離。A0A第25頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月假設介質(zhì)沒有吸收，于是有：A02(l/2)2=A2r2令DA=A-A0，容易從幾何關系得到:對折射率結構函數(shù)，也在寫法上作些修正：第26頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月其中：這樣：結論：l越小，DA/A0越大，而l0量級的渦旋將產(chǎn)生最大的幅度起伏。第27頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月將通道按l0劃分區(qū)段，在每一區(qū)段內(nèi)，有：在全通道上，則為：結論:與(7.80)式比較這與“幾何”光學的結論只差一個常數(shù)第28頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月“幾何”光學的適用范圍是z<l2/l，給定一個特征渦旋尺度lc~(lz)1/2，l>lc的渦旋，僅考慮“幾何”光學效應l<lc的渦旋，尚需考慮衍射效應，也就是抵消了聚焦作用。于是，當距離足夠大時，可以用lc代替l0：第29頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月設渦旋中的折射率是位置的高斯函數(shù)，有人得出，對于尺度為l的渦旋：l/(z/k)1/21|(DA/A0)|l2/(Cn2Z3)幾何光學區(qū)衍射區(qū)00.5第30頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月8.3.2相干長度與特征距離波陣面的紊亂，使渦旋不能起到聚焦作用，是產(chǎn)生“閃爍飽和”的內(nèi)在原因。定義相位相干長度r0，來描述波陣面的紊亂程度：

Ds(0)=<Ds2(r0)>=1（或p2）從微擾法的結果，可得：第31頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月定義當r0=(lz)1/2時的z值為特征距離zc，此時，無論小尺度渦旋或是大尺度渦旋都不再顯著產(chǎn)生光強起伏，也就是進入“閃爍飽和”區(qū)。于是，zc具有的量級是：第32頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月結論：當時，幅度起伏由下式?jīng)Q定，相關尺度l0當時，幅度起伏由下式?jīng)Q定,相關尺度(λz)^1/2當時，幅度起伏由下式?jīng)Q定,相關尺度0閃爍飽和區(qū)第33頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2