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多色部分相干偏心光束和球差光束在大气湍流中的传输特性

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多色部分相干偏心光束和球差光束在大气湍流中的传输特性

作者：邓金平四川师范大学

学位级别：硕士

研究激光在大气湍流中的传输特性对光通信、遥感、监测等实际应用具有十分重要的意义。实验结果表明高层大气中存在与通常的Kolmogorov湍流结构不同的non-Kolmogorov湍流。非稳腔产生的激光一般是偏心的，激光的多色性在某些应用中具有... 详细信息

研究激光在大气湍流中的传输特性对光通信、遥感、监测等实际应用具有十分重要的意义。实验结果表明高层大气中存在与通常的Kolmogorov湍流结构不同的non-Kolmogorov湍流。非稳腔产生的激光一般是偏心的，激光的多色性在某些应用中具有一定的优势。因此，研究多色部分相干偏心光束在non-Kolmogorov湍流中的传输特性和光束扩展具有非常重要的意义。另一方面，激光束通过非理想光学系统或强激光作用在光学元件上时存在球差。所以，研究球差光束在湍流中的能量集中度和光强闪烁非常有价值。本论文的主要研究工作有：1、研究了多色部分相干偏心光束在non-Kolmogorov湍流中的传输特性。根据广义Huygens-Fresnel原理，推导出了多色部分相干偏心光束在non-Kolmogorov湍流中传输的总光强、轴上光谱、相干度的解析表达式，研究了偏心参数、湍流广义指数、源光谱带宽对光束在湍流中的总光强、轴上光谱、相干度的影响。研究表明，越大，光束重心偏离传输轴越远，相干度的不对称性越明显。但对轴上光谱几乎没有影响。对总光强、轴上光谱和相干长度的影响是非单调的。当3.1时，湍流对光束传输特性的影响最大。特别地，在某些传输距离处，不同对应的轴上光谱位移量相同;在某些传输距离处，轴上光谱位移量为零，且该传输距离与无关，但湍流使得该传输距离缩短。2、研究了多色部分相干偏心光束在non-Kolmogorov湍流中的光束扩展。研究了偏心参数、湍流广义指数、源光谱带宽对光束在湍流中的二阶矩束宽、远场发散角、瑞利长度z R和湍流距离z T的影响。研究表明，多色光束比单色光束受湍流影响小，偏心光束比中心光束受湍流影响小。越大，越大，光束在自由空间中的扩展越大，光束受湍流的影响越小。在湍流中，不同偏心参数的光束有相同的方向性，然而在自由空间中却没有。当3.1时，湍流对光束扩展的影响最大。另外，还研究了z T随和的变化，得到了一些有意义的结果。3、研究了大气湍流对球差高斯光束能量集中度的影响。基于数值模拟方法，研究了正、负球差对高斯光束在大气湍流中传输的光强、二阶矩束宽w、桶中功率（PIB）、参数、能量Strehl比（SRE）的影响。研究表明，湍流导致光束扩展，并且湍流使得球差对光束扩展的影响减小。正球差光束比负球差光束受湍流影响小，湍流使负球差光束的聚焦位置靠近源平面。特别地，负球差越大，给定份额光束能量（PIB=63%）的集中度受湍流的影响越大。但是，当负球差取某一特定值时，给定“桶”半径（wfree）内光束能量集中度受湍流的影响最大。4、研究了球差高斯光束在大气湍流的光强闪烁。用数值模拟方法分别研究了正球差光束、负球差光束、无球差光束在强、中、弱湍流中轴上点的光强闪烁指数σ2ISp、 σ2ISp、σ2IGs的变化。研究表明， σ2ISp与σ2ISp的变化规律大不相同。在弱湍流中，正球差使σ2ISp减小，负球差使σ2ISp增大。特别地，由于负球差会导致光强呈空心分布，使σ2ISp在某些传输距离处会出现峰值。在中、强湍流中，负球差光束的光强中空被填充，使得σ2ISp的峰值消失。在中、弱湍流中，传输较近时都有σ2ISp＞σ2ISp，然而，在中度湍流中，传输足够远时，由于自补偿效应使得σ2ISp＜σ2ISp。在强湍流中，光强闪烁达到饱和， σ2ISp、 σ2ISp、 σ2IGs的差别很小。

关键词：大气湍流 non-Kolmogorov湍流多色部分相干偏心光束球差高斯光束传输特性光束扩展能量集中度光强闪烁

阵列相干声源改变大气折射率结构常数对光波传输特性影响的研究

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阵列相干声源改变大气折射率结构常数对光波传输特性影响的研究

作者：王文静西安理工大学

学位级别：硕士

随着激光技术的蓬勃发展,制约其应用质量的大气湍流被广泛关注。作为一种机械波,声波在传播过程中伴随着能量的转移,对局部大气的时空分布特征产生影响,基于这一特性,本文提供一种扰动大气湍流结构的新思路。建立了不同的声源模型,从声... 详细信息

随着激光技术的蓬勃发展,制约其应用质量的大气湍流被广泛关注。作为一种机械波,声波在传播过程中伴随着能量的转移,对局部大气的时空分布特征产生影响,基于这一特性,本文提供一种扰动大气湍流结构的新思路。建立了不同的声源模型,从声波的波动方程出发,结合声波的干涉叠加原理,数值计算出不同阵列声源模型激发的“人工不均匀体”空间分布情况;基于大气湍流折射率结构常数的“2/3”定律,结合随机过程解析方法,求解出“人工湍流”的折射率结构常数;进行“声光结合”,计算在声波干扰下,光波在湍流中的传输特性。论文的主要内容包括:1.阐述了大气折射率的物理性质,总结工程上常用的大气折射率测量方法;基于大气的物理属性,对比分析了几种不同计算大气折射率的经验性公式。给出大气折射率结构常数的定义,分析了边界层及自由大气中大气折射率结构常数Cn2的特性及经验性计算公式。2.从声波的波动方程出发,分析声波在运动过程中对大气物理属性的扰动,基于相干声波的干涉叠加原理,给出阵列相干声源激发折射率不均匀体的计算方法。建立“点阵列相干声源”模型,并数值计算其激发的“人工大气压强”及“人工大气折射率不均匀体”空间分布情况。在单个点阵列声源模型的基础之上,建立多种“组合阵列声源”模型,数值计算并且对比分析了不同“组合阵列声源模型”在局部空间激发人工折射率不均匀体分布情况。3.基于大气折射率结构常数的“2/3定律”,结合随机过程的解析方法,在原有大气折射率结构常数的基础之上,叠加“人工折射率不均匀体”,对两个随机过程进行叠加解析,求解得到了“人工湍流”的折射率结构常数。在声波扰动的大气中引入光波,基于Fante的计算结果,求解出“人工湍流”中波束的长期扩展半径,数值分析了点阵列相干声源参数改变对波束扩展半径的影响;并且在此基础之上,计算kolmogorov谱下的波束漂移方差,分析了点阵列相干声源参数改变对波束漂移方差的影响。基于Rytov近似,以平面波为例,计算并数值分析了点阵列相干声源参数改变对光波闪烁指数的影响。本文通过理论分析和数值计算,验证了相干声源改变湍流特性的可行性,对于声波控制湍流的后期实验以及工程应用提供了一定的理论支撑。

关键词：折射率结构常数阵列相干声源光束扩展光束漂移闪烁指数

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偏振激光在大气传输中的漂移及扩展特性研究

偏振激光在大气传输中的漂移及扩展特性研究

作者：王菲西安工业大学

学位级别：硕士

激光在大气湍流中的传输特性问题在理论和实际应用方面得到了广泛的研究,目前多集中于研究激光在水平以及斜程湍流的传输中光束的扩展和漂移等特性。迄今为止的工作大都是研究激光波束在湍流中传输时引起的高斯—谢尔模型光束（GSM）扩... 详细信息

激光在大气湍流中的传输特性问题在理论和实际应用方面得到了广泛的研究,目前多集中于研究激光在水平以及斜程湍流的传输中光束的扩展和漂移等特性。迄今为止的工作大都是研究激光波束在湍流中传输时引起的高斯—谢尔模型光束（GSM）扩展和漂移,很少有相关理论讨论偏振光束在湍流中传输时光束的湍流效应,而光束的偏振方面也部分研究出电磁高斯—谢尔模型光束（EGSM）（?）光束的相干性和偏振性。当使用偏振激光时,要提高自由空间光通信、激光雷达、激光测距等系统的性能或者激光准直、激光定位的精确度,就必须考虑大气湍流对激光光束产生的扩展、漂移等现象的影响。本文的研究主要以部分相干源,即具有高斯型光强分布和相干性分布的GSM为研究对象,基于广义Huygens—Fresnel原理,利用Collins公式,讨论了偏振部分相干激光波束在湍流大气中传输的交叉谱密度函数,推导出经过起偏的高斯—谢尔模型光束（GSM）在外场不同距离水平传输时,光谱强度、束腰宽度、重心位置漂移以及波束偏振度的解析表达式。对偏振激光在大气湍流中传输时光束的扩展和漂移变化以及偏振度进行数值仿真,得到相同传输距离下,不同的偏振角、不同初始束腰以及不同波长波束的扩展和漂移影响以及退偏变化;同时分析了相同的偏振角度下,不同的传输距离对光束扩展和漂移以及偏振度的影响。通过分析偏振激光波束产生的扩展、漂移和退偏特性,可以得出：在大气湍流中传输时,当波束初始束腰w0≥5mm时,偏振部分相干激光波束自身特性的变化对于波束的扩展和漂移是不产生影响的,并且对于不同波长的偏振部分相干激光波束,其扩展和漂移的变化相对于部分相干激光波束较小;偏振部分相干激光波束比部分相干激光波束在大气湍流中传输的退偏变化更具有规律性和稳定性,退偏现象表现得更加持久,并且初始束腰宽度的变化对偏振部分相干激光偏振度产生影响,但对部分相干波束偏振度的变化几乎不产生任何影响。研究结论充分说明偏振激光比一般的部分相干激光波束在传输中波束扩展和漂移的质量上具有较强优势,能够对偏振激光在外场大气传输的研究提供理论依据,在光通信和目标识别中具有重要意义。

关键词：偏振部分相干激光大气湍流交叉谱密度函数光束扩展光束漂移退偏

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复宗量厄米高斯涡旋光束的传播特性

复宗量厄米高斯涡旋光束的传播特性

作者：朱绚绚北京邮电大学

学位级别：硕士

自由空间光通信结合了微波通信和光纤通信的优势,具有带宽高,安全保密性强,安装灵活,不受电磁干扰,成本低,无需频谱申请等诸多优点。所以,自由空间光通信具有巨大的市场发展潜力。然而,以激光为载体的自由空间光通信极易受到大气湍流的... 详细信息

自由空间光通信结合了微波通信和光纤通信的优势,具有带宽高,安全保密性强,安装灵活,不受电磁干扰,成本低,无需频谱申请等诸多优点。所以,自由空间光通信具有巨大的市场发展潜力。然而,以激光为载体的自由空间光通信极易受到大气湍流的影响,使得远程空间光通信受到限制。而涡旋光束在大气中传播时,其光束质量(光束扩展、光束漂移和光闪烁)受大气湍流的影响程度远小于普通光束,因此受到广泛的关注。另外,传统的光学编码都是对光强、相位、频率或者偏振进行调制,而涡旋光束由于具有轨道角动量,为调制提供了另一自由度,使得数据传输容量得到有效的提高。此外,利用轨道角动量进行信息传输时,光束的拓扑荷直接表示所需传送的信息,除了增加了系统的容量外,还具有防窃听的优点,增强了信息的保密性。因此,研究湍流大气对涡旋光束传播特性的影响可以有效促进自由空间光通信的发展,对于移动通信具有非常重要的意义。本文主要研究了复宗量厄米高斯涡旋的光束质量以及其在湍流大气中的传播特性。光束质量描述的是光束质量的优劣,是从质的方面对光束的特性进行评判。光束质量可以利用多种参数进行表示。其中,M2因子的定义由于同时兼顾了束宽和远场发散角两方面的因素,比其他的参数具有更强的说服力。此外,本文首先采用理论推导的方式分析涡旋在湍流大气中的传播特性,包括其光强分布和二阶矩束宽。并深入分析了其传播特性与传播距离、涡旋光各光参数和大气湍流强弱的关系。通过合理设置其参数,可以得出受大气湍流影响小的涡旋光。另外,本文还对大气湍流进行了仿真模拟,通过将大气湍流分为N个独立的相位屏,实现光在自由空间中传输时的相位和振幅调制。通过仿真,可以得到复宗量厄米高斯涡旋光束在大气湍流中传播后的光强值,利用光闪烁指数的定义和光强值可以得出该涡旋光束的光闪烁情况。

关键词：大气湍流光束质量涡旋光束光束扩展光闪烁

自由空间光通信中部分相干涡旋光束对大气湍流抑制技术研究

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自由空间光通信中部分相干涡旋光束对大气湍流抑制技术研究

作者：王蕊西安电子科技大学

学位级别：硕士

自由空间光通信作为一种安全、快速、保密性高的通信技术,在卫星通信和军事领域都有广泛的应用。然而自由光通信系统以激光作为载波在大气中进行传输,极易受到大气恶劣环境的影响,尤其是在远距离传输时,大气湍流效应对通信质量的影响十... 详细信息

自由空间光通信作为一种安全、快速、保密性高的通信技术,在卫星通信和军事领域都有广泛的应用。然而自由光通信系统以激光作为载波在大气中进行传输,极易受到大气恶劣环境的影响,尤其是在远距离传输时,大气湍流效应对通信质量的影响十分严重。传统的湍流抑制技术多从如何减小大气对光束的影响入手,通过提高探测/接收灵敏度、发射功率,减小光束发散角等手段来抑制湍流效应。本文基于部分相干光技术提出使用部分相干四瓣椭圆高斯涡旋光来抑制大气湍流效应,分析光束本身对湍流效应的抑制能力。主要工作如下:（1）通过分析讨论现有的几种湍流抑制技术及它们优缺点和部分相干光技术的发展现状,提出采用部分相干四瓣椭圆高斯涡旋光束来抑制大气湍流效应。（2）基于扩展的惠更斯-菲涅耳原理和non-Kolmogorov湍流功率谱模型推导得到部分相干四瓣椭圆高斯涡旋光束通过non-Kolmogorov湍流大气的交叉谱密度函数,光强分布表达式以及光谱相干度。根据推导得到的解析式仿真分析大气折射率结构常数、拓扑电荷数、光束阶数、椭圆因子、相干长度、束腰半径和传输距离对部分相干四瓣椭圆高斯涡旋光束通过non-Kolmogorov湍流大气后的光强演化特性,光谱相干度以及拓扑电荷守恒距离的影响。（3）根据光束扩展理论对部分相干四瓣椭圆高斯涡旋光束通过non-Kolmogorov湍流大气的光束扩展情况进行研究分析,并且与部分相干涡旋光束在相同的传输条件下的光束扩展进行了比较。研究结果表明,光束阶数越小、椭圆因子和拓扑电荷数越大,光强受到湍流的影响越小,光束扩展也越小,光束的传输质量越好。椭圆因子、相干长度和束腰半径可以作为控制拓扑电荷守恒距离的自由度。并且在其他条件相同的情况下,部分相干四瓣椭圆高斯涡旋光的光束扩展总是比部分相干高斯涡旋光的要小,说明部分相干四瓣椭圆高斯涡旋光束对大气湍流有很好的抑制效果。

关键词：自由空间光通信大气湍流抑制技术部分相干四瓣椭圆高斯涡旋光束非柯尔莫戈洛夫湍流光束扩展

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偏振激光波束在斜程湍流大气中的传输特性

偏振激光波束在斜程湍流大气中的传输特性

作者：吴鹏利西安工业大学

学位级别：硕士

激光波束在斜程湍流大气中的传输特性问题在理论和实际应用方面已经得到了广泛的研究,目前主要是使用部分相干光源来研究斜程湍流大气中波束的漂移和扩展效应,较少使用偏振部分相干光源。随着人们对大气光学研究的不断深入,光波的相干... 详细信息

激光波束在斜程湍流大气中的传输特性问题在理论和实际应用方面已经得到了广泛的研究,目前主要是使用部分相干光源来研究斜程湍流大气中波束的漂移和扩展效应,较少使用偏振部分相干光源。随着人们对大气光学研究的不断深入,光波的相干性和偏振性凭其显著特点得到了广泛关注,相干性和偏振性理论的形成,使统一研究激光波束的光谱特性、相干性和偏振特性成为可能。当使用偏振部分相干激光时,要提高激光工作系统的性能,就必须考虑大气湍流对激光波束产生的扩展和漂移等现象的影响,同时必须考虑偏振部分相干激光波束的退偏特性。本文以偏振部分相干激光波束为研究对象,分析了斜程湍流大气中波束的光强、重心坐标、扩展半径以及偏振度的变化,根据推广的惠更斯-菲涅耳原理,以高斯-谢尔光束为模型,推导了斜程传输情况下偏振部分相干激光波束的光强、重心坐标、扩展半径、扩展角以及偏振度的表达式。对偏振部分相干激光波束在斜程湍流大气中传输时的扩展和漂移变化以及偏振度进行数值仿真,得到在确定的传输距离时,偏振光两正交分量的相位差、方向角、波长、初始束腰半径和接收机高度对激光波束重心坐标和扩展半径的影响;以及在确定的接收机高度下,激光波长、初始光斑尺寸和传输距离对波束光强及偏振度的影响。通过分析偏振部分相干激光波束在斜程湍流大气中波束的光强、漂移、扩展以及退偏特性,可以得到：在确定的接收机高度下,光源的初始束腰半径越大,波束的漂移和扩展效应随传输距离的增大变化越小,光源的波长越大,波束的漂移和扩展效应随传输距离的增大变化越大;在确定的斜程传输距离下,接收机高度越高,波束的漂移和扩展效应越小;在确定的接收机高度和传输距离下,波长越长,偏振度在接收机上的分布越平稳。这些结论为偏振部分相干激光波束在外场大气传输的研究提供理论依据,在激光通讯、激光测距、卫星遥感、激光武器、激光能量传输、激光目标识别和空间光束编码解码等使用激光工作的系统中具有重要意义。

关键词：偏振部分相干激光大气湍流交叉谱密度函数光束扩展光束漂移退偏

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激光大气传输特性及实验研究

激光大气传输特性及实验研究

作者：王元博西安电子科技大学

学位级别：硕士

激光被广泛应用于各种测量系统中,大气对激光在中长距离传输时的影响严重限制了各种激光工程（如激光通信、激光雷达、激光测距等）系统的使用性能。本文旨在研究大气湍流对激光大气传输的影响。本文针对大气信道的随机特性,主要... 详细信息

激光被广泛应用于各种测量系统中,大气对激光在中长距离传输时的影响严重限制了各种激光工程（如激光通信、激光雷达、激光测距等）系统的使用性能。本文旨在研究大气湍流对激光大气传输的影响。本文针对大气信道的随机特性,主要研究大气湍流对半导体激光传输的影响。基于强湍流情况下的Markov近似理论对基模高斯光束短期和长期波束扩展效应作了计算分析。在理论分析的基础上对扩展和漂移的测量方法进行了论证并改进激光大气实验测量系统,设计大口径发射天线以便开展不同聚焦半径下的湍流扩展和漂移实验。用此系统进行了室外相关实验,利用CCD摄像机采集远程激光传输光斑。对大气湍流影响下的二维光斑光强分布进行实时测量,用相应处理算法软件分析实验数据,与理论数值进行比较并对误差产生的原因进行了初步讨论。

关键词：大气湍流激光大气传输光束漂移光束扩展 CCD摄像机

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湍流大气中偏振激光脉冲波束传输特性

湍流大气中偏振激光脉冲波束传输特性

作者：李艳西安工业大学

学位级别：硕士

激光在大气环境中的传输特性问题对于激光测距、激光雷达、激光武器、卫星遥感等实际应用领域的研究工作具有重要意义。受湍流的影响,大气折射率的随机扰动引起光束波前畸变,从而产生闪烁、光斑漂移和光束扩展等湍流效应,这些现象将会... 详细信息

激光在大气环境中的传输特性问题对于激光测距、激光雷达、激光武器、卫星遥感等实际应用领域的研究工作具有重要意义。受湍流的影响,大气折射率的随机扰动引起光束波前畸变,从而产生闪烁、光斑漂移和光束扩展等湍流效应,这些现象将会严重影响外场光电系统的正常工作。偏振激光在波束控制上与其它波束相比具有更高的自由度,应用范围广,目标识别能力和抗干扰能力较强以及较低的误码率等优点。本文以偏振激光脉冲波束为例,研究了激光波束在湍流大气中传输时,波束的脉冲展宽、光束扩展和退偏特性。论文的研究成果如下：第一,以椭圆偏振高斯脉冲波束为例,研究了该波束在斜程湍流大气中的脉冲展宽特性。基于广义的Huygens-Fresnel原理,结合双频互相干函数以及Rytov微扰法,推导出椭圆偏振高斯脉冲波束通过斜程湍流大气时接收机处的平均光强和脉冲展宽的表达式,数值计算结果表明：椭圆偏振高斯脉冲波束在斜程湍流大气中的脉冲展宽取决于天顶角η和接收机高度H,内尺度因子β对脉冲展宽的影响不大。第二,以椭圆偏振高斯脉冲波束为例,推导出该波束通过斜程湍流大气时在接收机处波束有效扩展半径的表达式,研究了该波束的光束扩展特性。数值计算结果表明：椭圆偏振高斯脉冲波束在斜程湍流大气中的光束扩展主要与脉冲激光的初始束腰半径W0、激光波长λ和偏振角φ有关,随着传输距离L的增大波束的有效扩展半径w(L)随着w0的增大而减小,随着λ的增大而增大,而且φ越大波束的w(L)也越大。第三,以椭圆偏振部分空间相干部分光谱相干电磁高斯-谢尔模型脉冲波束(EGSMP)为例,基于随机电磁波束的相干偏振理论和广义Huygens-Fresnel原理,结合Rytov’ s相位结构函数的二次近似和广义斯托克斯(Stokes)参量,推导出斜程湍流大气中传输时椭圆偏振部分空间相干部分光谱相干EGSMP波束在接收平面处的电磁交叉谱密度函数(CSDF)矩阵元和交叉偏振度的表达式。最后对比分析了湍流强度、波束的初始脉冲宽度、波束束宽、波束的空间相干长度和时间相干长度等对椭圆偏振波束和部分偏振波束的退偏特性影响。结果表明：湍流强度、波束的初始脉冲宽度、波束束宽、波束的空间相干长度和时间相干长度等对椭圆偏振波束的退偏特性影响较大,而对部分偏振波束的退偏特性影响较小。本文的研究结果将对改善激光工作系统在湍流大气中传输时的使用性能奠定了坚实的理论基础。

关键词：椭圆偏振高斯脉冲大气湍流脉冲展宽光束扩展交叉谱密度矩阵退偏特性

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激光在大气中的传输特性分析

激光在大气中的传输特性分析

作者：杨贝尔上海交通大学

学位级别：硕士

随着激光技术日趋成熟，激光在大气中的传输应用正受到各国日益广泛的重视，对于激光通讯、激光雷达、激光武器、激光测距以及激光能量的运输等应用领域有十分重要的意义，研究激光在大气湍流中的传输特性能够更好的使激光达到所需要的... 详细信息

随着激光技术日趋成熟，激光在大气中的传输应用正受到各国日益广泛的重视，对于激光通讯、激光雷达、激光武器、激光测距以及激光能量的运输等应用领域有十分重要的意义，研究激光在大气湍流中的传输特性能够更好的使激光达到所需要的使用效能。本文主要研究湍流对激光传输过程中，光强的衰减、光束的扩展及光场波前畸变的影响。首先，本文介绍了大气湍流模型，给出了三种典型的大气湍流功率谱模型;其次，利用Rytov近似和马尔可夫近似及统计光学理论，建立了在湍流中的激光光场的传输模型，给出了激光在湍流中产生的光强衰减，闪烁、波前畸变、漂移等传输效应;然后，给出了针对典型涡流的非均匀场的激光传输仿真结果，以及在典型湍流模型中，激光传输的仿真结果;最后，考虑到激光接收系统，设计适用于某光学接收系统的激光湍流传输模型，并给出仿真结果。

关键词：激光大气湍流光束扩展波前畸变