各向异性非Kolmogorov大气湍流中光传播若干特性研究

In this project, we focus on investigating the characteristics of optical waves’ propagation through anisotropic non-Kolmogorov atmospheric turbulence. The conventional isotropic non-Kolmogorov turbulence refractive-index fluctuations spectral models are generalized to apply in anisotropic non-Kolmogorov atmospheric turbulence, and the theoretical turbulence refractive-index fluctuations spectral models will be derived for the anisotropic non-Kolmogorov turbulence, which consider the anisotropic factor, finite turbulence inner and outer scales, and the general spectral power law value. With the anisotropic non-Kolmogorov turbulence spectra, both the variances of angle of arrival fluctuations and irradiance scintillation will be derived based on Rytov and extended Rytov theories for optical waves propagating through weak and moderate-to-strong anisotropic non-Kolmogorov turbulence. With the Taylor frozen hypothesis, both the temporal power spectra of the angle of arrival fluctuations and irradiance scintillation will be obtained. Finally, numerical simulation will be performed to investigate the optical waves’ propagation through anisotropic non-Kolmogorov turbulence.

研究各向异性非Kolmogorov大气光学湍流特性，通过推广各向同性非Kolmogorov大气湍流折射率起伏谱理论模型，获得各向异性非Kolmogorov大气湍流折射率起伏谱理论模型，考虑大气湍涡尺度空间分布方向差异性、大气湍流内、外尺度、大气湍流谱指数等大气湍流参量的影响。基于各向异性非Kolmogorov湍流折射率起伏谱理论模型，利用Rytov近似理论和修正Rytov理论，推导近似水平和近似垂直路径下弱起伏和中强起伏各向异性非Kolmogorov大气湍流中光波到达角起伏方差理论模型和光强起伏方差理论模型。基于Taylor湍流冻结假设获得各向异性非Kolmogorov大气湍流中光波到达角起伏时间能量谱理论模型和光强起伏时间能量谱理论模型，考虑各向异性大气湍流参量及光传播路径影响。最后，通过数值模拟研究各向异性非Kolmogorov大气湍流中光传播特性。

大气湍流是降低激光通信、远距离光电成像目标探测、地对空观测成像等系统性能的主要原因之一。随着理论研究的深入和大气湍流探测技术的发展，尽可能真实地考虑大气湍流状况是大气光学湍流特性研究的趋势。本项目以各向异性非Kolmogorov（简称N-K）大气光学湍流为研究对象，开展了各向异性N-K大气湍流中光传播特性理论建模研究工作。研究建立了能更好表征各向异性N-K大气湍流中湍涡统计分布的折射率起伏谱模型，即提出建立了综合考虑了湍涡尺度分布方向差异性、有限湍流内、外尺度、湍流谱指数等湍流参量的各向异性广义指数湍流谱模型和各向异性广义Von Karman湍流谱模型。 结果表明所建立的湍流谱模型在惯性区间和已有模型具有较好的一致性，而在耗散区间能更好地表征有限湍流内尺度引起的快速衰减现象，这与真实大气湍流情况更为吻合。此外，研究了弱起伏和中强起伏各向异性N-K大气湍流中光传播特性理论模型，建立了适用于弱起伏和中强起伏各向异性N-K大气湍流效应理论模型，综合考虑了湍涡尺度分布方向差异性、有限湍流内、外尺度、湍流谱指数等湍流参量。结果表明，随着各向异性系数的增大，各向异性N-K大气湍流对光传播所产生的影响会减弱。同时，湍流内尺度和湍流外尺度分别对各向异性N-K大气湍流中光波强度起伏和光波到达角起伏产生重要影响，该结论与经典的各向同性大气湍流下的结论具有较好的一致性。本项目以研究各向异性N-K大气湍流中光传播机理为目标，探索了各向异性湍涡对光传播影响规律，将为光电系统设计、技术参数制订、论证及其性能评估提供理论依据和技术支撑。