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激光在大气中传输由于湍流影响导致光束扩展和光束横截面上光强起伏。定量描述光束扩展、光强起伏与湍流强度、激光发射系统参数关系的统计规律对激光大气传输的工程应用至关重要。为此设计了测量不同遮拦比下激光焦平面光斑扩展量和不同探测面积下光强起伏量的实验平台。通过数值分析和利用该平台进行了大量实验观测,取得主要创新成果如下:
1、通过实验测量得到了两种遮拦比下光束扩展量与湍流强度、发射望远镜参数之间的定标关系式,并给出了倾斜项和高阶像差导致光束扩展的近似描述方式。分析了重复频率变化时各描述方式参数的变化并利用泰勒频率来描述湍流强度和横向风速不同时倾斜项对光束扩展贡献在重复频率改变时变化的差异。
2、通过分析点接收Rytov近似和孔径平滑因子的近似表达式,将湍流强度和探测面积对光强起伏的影响以一个参数(等效接收面积)联系在一起。分析了不同湍流强度和探测面积时相对光强起伏方差的概率分布特征,并建立了模型。分析了湍流强度和探测面积不同时概率分布模型拟合参数和概率密度分布特征量的变化并以等效接收面积为自变量给出了相应拟合关系式。
3、分析了光束重复频率改变时相对光强起伏方差概率分布特征随重复频率的变化;通过格林伍德频率来描述湍流强度和横向风速不同时光强平均起伏量随重复频率下降变化量的差异。
上述研究结果对进一步理解湍流对激光传输的影响及如何描述湍流的影响有一定的参考价值;同时也为激光工程的实际应用提供了参考。