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偏振激光波束在双程湍流路径中的闪烁特性

王绍鹏  
【摘要】:激光在外场环境中的传输特性研究对于激光雷达、激光测距、卫星遥感监测、激光武器的研发工作具有重要意义,而大气湍流中的折射率起伏场会使在其中传播的光束产生波束漂移、波束扩展以及光斑闪烁的现象,这些现象会严重影响外场光电系统的正常工作。偏振激光在光束特征控制上比一般光束具有更高的自由度,应用范围广大,优点突出。相比传统激光雷达,偏振激光雷达探测距离更远,目标识别能力更强,在通信领域,偏振激光抗干扰能力更强,误码率更低。本文研究了主动激光雷达系统中,偏振激光波束受到去程和回程双程湍流影响,在激光接收机处的光波闪烁指数。本文的主要研究成果如下:第一,利用四阶相干偏振矩阵计算了偏振部分相干激光波束的闪烁指数,将求解偏振光的闪烁指数转化为求解两正交偏振方向上的平均光强、两方向上的闪烁指数、以及方向交叉闪烁指数参数的五个参数,利用张量方法对两正交方向上的光强分布进行研究,利用修正Rytov方法对两方向闪烁指数上及交叉闪烁指数进行求解。第二,利用广义惠更斯-菲涅尔原理以及矩阵光学理论,研究了偏振部分相干激光波束受到目标影响和双程湍流路径对其影响的理论模型,并得出双程路径下偏振部分相干激光波束在接收机处的闪烁指数表达式,数值分析了大气折射率结构常数、激光波束的波长、束宽、相干长度、偏振态对接收机处光强闪烁指数的影响。研究结果表明,闪烁指数随目标距离的增大逐渐增至峰值又开始逐渐减小,光源的波长越长,近距离目标造成的闪烁指数越小,闪烁指数峰值也越小;大气折射率常数越小,闪烁指数曲线的峰值越小,传输越稳定;光源的相干性越差,束宽越小,产生的闪烁指数越小,随着相干长度和束宽的增大,它们对于闪烁指数的影响越来越小。闪烁指数会随着偏振光两正交分量的相位差δ的变化呈周期为2π的周期性变化,当δ取π的偶数倍时,闪烁指数最小,当δ取π的奇数倍时,闪烁指数最大。


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