海面大气湍流所引起的光束波前畸变的时间和空间特性研究

Atmospheric turbulence over-sea has severe impact on wireless laser communication in marine environment. Comprehensive understanding on the temporal and spatial characteristics of wavefront aberration in laser beam propagating over-sea is necessary for effective turbulence effect mitigation. This project aims to comprehensively study the temporal and spatial characteristics of wavefront aberration in laser beam propagating over-sea. Laser transmitter and wavefront measurement platform will be built for data acquisition in marine environment. Wavefront of the beam will be reconstructed by Zernike modal construction method, to ensure the accuracy of reconstruction in case of strong atmospheric turbulence. Representative parameters will be extracted from the experimental data, to describe the temporal and spatial characteristics of the wavefront aberration under certain meteorological and transmission condition. Based on theory and experimental data, a model will be built which describes the relationship between representative parameters and meteorological and transmission conditions. This project is defined closely related to the national strategy on ocean development. Research results will serve as a basis for turbulence effect mitigation for wireless laser communication in marine environment, thus contributing to the construction of "Digital Ocean".

海面大气湍流对海面无线激光通信造成严重影响,全面地掌握跨海传输激光束波前畸变的时间和空间变化特性是抑制大气湍流影响的前提。本项目拟对跨海传输激光束波前畸变的时间和空间特性展开深入的研究。建立激光发射和波前测量实验平台、进行海域实验，采集海面传输激光束的波前测量数据；采用Zernike模式法，根据波前测量数据精确重建得到海面大气强湍流条件下的光束波前；通过对波前进行时域和空域分析,提取波前畸变时空特征参数；采用理论与数据相结合的方法，建立波前畸变时空特征参数与海面气象、传输参数之间的数理模型，从而揭示光束波前畸变时间和空间特性随气象和传输条件发生变化的规律。本项目的制定紧密结合国家的海洋发展战略，研究成果将为抑制海面大气湍流对海面无线激光通信的影响提供理论和实验基础，服务于我国的"数字海洋"建设。

随着国家海洋战略的实施，人们对于海洋环境中信息高速传输的要求不断提高。无线激光通信技术在海洋领域具有广阔的应用前景，然而由于大气湍流的影响，激光束在海面上传输时会受到大气的吸收、散射等诸多负面影响，在接收端产生光束漂移、光强闪烁、到达角起伏、波前相位畸变等现象。海面大气湍流对激光束的不良影响使无线激光通信技术的可靠性下降，阻碍了该技术的应用和发展。为了设计合理的补偿系统减弱或克服大气湍流对传输激光束造成的影响，必须事先对海面大气湍流的时间和空间特性进行深入的了解和研究。.本课题从理论上分析了水面上方大气湍流对激光束传输的影响，设计并搭建了一套能够测量水面上方传输激光束特性的实验系统。课题中首先安排了一项在实验室中开展的实验：令激光束通过加热的沙子和盐水上方传输，采用波前传感器测量接收端光斑漂移的标准偏差和功率谱密度，比较分析了沙子和盐水在同等受热辐射条件下其上方大气湍流对激光束传输的不同影响。在测量水面上方大气湍流特性的实验中加入了光斑位置传感器，对激光束到达角起伏进行测量计算，从而实现对水面大气湍流的折射率结构常数、Fried参数、Greenwood频率的计算，给出了这些参数的具体数值，并分析了其变化趋势。课题研究中在沙/水环境依靠Zernike多项式和SVD重构了波前畸变。并且使用箱线图对激光束在加热的沙和盐水上传播后的波前畸变重构的Zernike系数进行了分析。.最后总结了水面大气湍流的时空特性及对传输激光束的影响规律，为自适应光学及无线激光通信在海洋领域的应用提供参考。