湍流大气中激光束反射与传播的角起伏特性分析

"湍流大气中激光束传播方向起伏的研究" 在光学领域，尤其是在激光通信、激光雷达以及大气探测技术中，激光束在湍流大气中的传播特性是至关重要的研究内容。本文由张选新和宋正方撰写，发表于1986年的《光学学报》上，探讨了激光束在强、弱湍流条件下传播时的方向起伏问题，以及经过平面镜反射后的光束漂移角和到达角起伏的特性。 文章首先介绍了背景，指出激光在大气中传播时，由于大气湍流的影响，其传播方向会有所变化，这直接影响到激光测距和激光雷达系统的性能。现有理论研究表明，反射回波的参数与直接传播的光波有不同的统计特性，且这些特性取决于反射器的几何形状。例如，平面镜可能会放大光波形变，而角反射器则可能起到补偿作用。因此，研究不同反射器对湍流影响的反射效应对于提升测量信噪比具有重要意义。 文章的核心在于采用马尔柯夫近似方法，这是一种处理随机过程的数学工具，结合光波复振幅的正态分布近似，来分析激光束在湍流大气中的行为。在弱湍流区域，研究相对较多，但在强湍流条件下的讨论较为有限。作者弥补了这一空白，不仅讨论了光束到达角的起伏，还分析了反射光束在接收面上的漂移角及其到达角起伏。 在近轴光学近似下，作者推导出了光束到达角ac的表达式，该表达式包含了大气折射率起伏、接收面位置、透过率、接收孔径大小以及光强分布等因素。通过这个公式，可以计算出在特定湍流条件下的光束偏转情况。 文章还讨论了强湍流情况下光束的漂移角和到达角起伏，揭示了平面镜反射可能带来的后向反射放大现象。这种放大效应对于激光束的稳定性和指向精度有着显著影响，对于优化大气探测系统的设计具有指导价值。 该文对激光束在湍流大气中的传播特性进行了深入研究，特别是在强湍流环境下的分析，为理解和改善激光通信和雷达系统的性能提供了理论基础。此外，对于反射光束的分析也为设计更有效的反射器提供了新的思路，有助于提高在复杂大气条件下的测量精度和信噪比。