电磁高斯谢尔模光束在大气湍流中的光束质量演化(2)
然而，当人们把激光应用到在大气空间中进行距离测量、遥控感应和传输通信时，却遇到了巨大的挑战。地球表面充满了大气气体分子和各类胶溶粒子，包括大气中的粉尘、颗粒等等。这些分子与颗粒在大气中相互作用，从而产生了各类复杂的大气效应，如：大气湍流效应、大气热晕效应、大气回环效应、大气衰减效应[1~3]等等。而由大颗粒子引起的雾霾、云、雨、沙尘、冰雪等对光传输通信的影响更大。本文仅讨论由大气湍流引起的光束传输问题。由于这些系统的复杂和随机性，研究起来也充满了挑战。该类问题的研究，对于在光通信的发展，无论军用还是民用，都势在必行。
大气湍流引起的常见的湍流效应有：大气闪烁、成像分辨率低、光束整体漂移、湍流拓展、强湍流区的到达角的起伏等等。
图 1.1 光束在大小尺度湍流中传播示意图
如图1.1所示，大尺度湍流将引起光的折射效应，小尺度湍流将引起光的衍射效应，不同湍流效应影响各异。近年来，随着科学技术的改进，人们对随机介质中光波传输的问题有了更多的关注。由于大气湍流本身基理的复杂性，光波大气湍流传输理论研究存在着一定的难度，甚至已有的理论与实验测量相去甚远。随机光场的数学处理的[4~5]复杂性更是为研究增加了难度。
1.2 国内外研究现状
1.3 激光在大气湍流中传输理论及部分相干光发展
1.3.1 激光在大气湍流中传输理论发展
科学家对光通信的研究可追溯到19世纪末。可由于技术的局限，直到上世纪中期，红宝石激光器的诞生，光通信才有了可行性。1962年，Hall等人研制出了真正适合光通信的激光器——半导体激光器。因而，很多科研工作开始研究激光的各类特性，如激光传输特性的研究。最初，Kogelnik等人提出的矩阵光学法[17]，是研究激光传输最基本、最常见的方法，将在第二章详细的推导。1970年，Collins结合ABCD光学矩阵法[18]推导得到的柯林斯公式[19]，是激光传输理论的核心。柯林斯公式的具体推导过程将在第二章详细阐述。
由于激光技术飞速的发展以及在各个领域的应用逐步增多，众多研究激光传输的理论也相继被提出，很多简单便捷或者更为针对的性的方法我们并不能一一介绍。如傅里叶光学法和张量分析法，为很多激光传输的难题提供了一种重要的思路。然后，对于激光传输理论的计算方法，大部分是基于衍射理论。这种方法往往十分精准，但计算复杂，对于实际问题的解决没有实用性。
大气处于湍流不断的无规则运动中，由于系统的随机性，湍流大气的折射率也不会是个固定值，将随着湍流变化而随机变化，这给科研工作带来了困难。1941年，Kolmogorov和Obukhov根据随机场理论，分析了大气湍流折射率功率谱，奠定了湍流理论的基础。20世纪50年代，Tatarskii在Kolmogorov的湍流统计理论基础上，求解了湍流大气中波传播方程[20]，在大气湍流研究领域取得了突破性进展。然而，复杂的大气湍流问题并没有完全解决，进而科学家又陆续提出了Markov近似理论、强起伏理论、费曼路积分理论[21]、薄屏理论[22]等等研究等研究方法。
大气大分子团相对于大气湍流的整体的运动方向与趋势是混乱不规则的。对于激光的折射，大部分可看成大分子团折射率随机变化产生的闪烁效应，接而产生相位起伏、光束扩展、光束漂移以及像点抖动[21]等现象，从而影响了光束的正常传播。所以，当光波经过大气湍流到最后到成像系统中，振幅、频率、相位等参数都有可能产生随机的变化，因而成像系统得到的结果将会出现各类失真，与原光束有较大差异。具体表现在光束的漂移和扩散，将导致像点的抖动和模糊，从而所得图像重叠，出现重影甚至模糊。这些现象严重影响了光束传输信息的目的，且由于产生原因的复杂性，导致图像复原再现也充满了挑战。
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