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大气湍流间歇性及其对光波传播的影响

陈京元  
【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。


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