湍流内尺度对光波起伏频谱的影响

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1、第22卷第10期强激光与粒子束Vo1．22，No．102010年l0月HIGHPOWERIASERANDPARTIC：LEBEAMSOct．，2O10文章编号：1001—4322(2010)10～2276—05湍流内尺度对光波起伏频谱的影响李岩，强希文，宗飞，赵军卫，韩燕，胡月宏，冯建伟(】．解放军63655部队。乌鲁木齐841700；2．西安交通大学电子与信息工程学院，西安710049)摘要：在不同湍流内尺度情况下，对大气湍流引起的光波光强闪烁和到达角起伏的时问频谱特征进行了实验研究。由于实际大气湍流的复杂性和不可控性

2、，利用大气湍流模拟箱来生成具有不同内尺度的大气湍流实验环境。利用位置敏感探测器对光波的光强闪烁和到达角起伏进行了同时测量，并反演得到了光传输路径上的湍流内尺度。实验结果显示：湍流内尺度为2．7～5．0mm，对应同一湍流内尺度，闪烁频谱和到达角起伏频谱在高频段以相同的幂指数关系下降，幂指数的绝对值与湍流内尺度的大小呈线性关系，随着内尺度的增大，频谱指数变化区间逐渐向低频方向移动。关键词：大气光学；大气湍流；闪烁频谱；到达角起伏频谱；湍流内尺度中图分类号：TN24文献标志码：Adoi：10．3788／HPLPB2010221

3、0．2276光波大气起伏的时间频谱是描述光波大气传输湍流效应的重要参量之一，反映了光强和相位起伏随时间频率的分布特性，对在大气中应用的各种光学系统，如光通讯系统、相位校正系统和光学跟踪系统等具有重要的影响ll]。理论研究表明：在Kolmogorov湍流谱和点接受条件下，对数光强起伏频谱分为低频段和高频段2个区间。在低频段的主要部分频谱呈常数，在高频段的大部分范围，频谱呈一8／8指数变化关系。而相位起伏频谱在低频段和高频段都具有一8／3指数变化关系。。。但实际情况下大气湍流的内尺度并不为零，且接收器口径也是有限的，因此很多

4、实验结果与上述理论结果存在着差异。针对这一类问题，G．A．Tyler研究了孔径接收的Kolmogorov湍流畸变波前中整体倾斜像差的时间特性，指出波前整体倾斜频谱在低频段符合～2／8指数变化规律，在高频段符合一11／3指数变化规律]。潘锋等对孔径接收的光波闪烁频谱进行了理论和实验研究，指出高频段应服从一11／3指数变化关系[7。饶瑞中等在综合考虑整个湍流谱对光波起伏频谱影响的情况下，利用数值计算方法，给出了有限湍流内尺度时光波起伏的频谱特征l8。然而由于湍流介质本身的复杂性，大气参数的多变性和大气中实验条件的不可控性，湍

5、流内尺度对光波起伏频谱影响的规律性实验研究却鲜见详细报道。基于实验室模拟大气湍流所具有的较好的稳定性和可控性[9]，本文利用大气湍流模拟箱来形成湍流，并通过调节箱内风速来改变光波传输路径上的湍流内尺度。在对传输光波的光强闪烁和到达角起伏进行测量的同时，通过反演计算得到了箱内传输路径上的湍流内尺度大小，进而对不同湍流内尺度情况下光波对数光强和到达角起伏的时间功率谱进行了分析。l湍流内尺度测量原理经局地均匀且各向同性湍流传输的平面光波，在满足几何光学近似的条件下，即L《踞／a，其中，为光波波长，其到达角起伏方差为(a)一<>

6、===3．28C~Ll7㈠(1)式中：a和分别为水平和竖直方向上的光波到达角；C为折射率结构常数；(⋯>表示统计平均；L是光波传输路径长度；l。为湍流内尺度。而光强起伏的归一化方差为一(<。>一<>。)／<>。(2)式中：为光强。当菲涅耳尺度远小于湍流内尺度时，光强起伏的归一化方差为*收稿日期：2009—08—14；修订日期：201O-0125基金项目：国防科技基础研究基金项目作者简介：李岩(1981-)，男，吉林长春人，助理研究员，硕士，主要从事激光大气传输效应方面的研究工作；L—Y_@tom．corn。通信作者：强希

7、文(1967～)，男，陕西西安人，副研究员，博士研究生，主要从事大气光学方面的研究工作；xiwen—qiang@163．corn。第1O期李岩等：湍流内尺度对光波起伏频谱的影响；一12．8C：L。lo(3)由式(1)和式(3)可得到湍流内尺度为z。一1．97L~／(a。>／G}(4)可见在系统参数已知的情况下，通过对光强闪烁和到达角起伏的测量，可得到光波传输路径上的湍流内尺度。2实验系统及组成2．1大气湍流模拟箱的设计及结构实验中所利用的大气湍流模拟箱通过加热空气强迫对流来产生湍流，其结构如图1所示，主要由传输室、工作室

8、、温度、风速监测部分和自动控制系统构成。传输室采用一端开放的箱体结构，内部长1．5m，宽1．2m，高0．3m，出风口尺寸为O．8m×0．3m。用于光波传输的光学窗口位于侧壁中心位置，光波传输路径与热气流方向垂直。传输室上壁开有一条窄槽用于实时监测箱内温度和风速的变化。工作室与出风口相对，内部安装有风扇和电热管。风扇通