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1、3.1大气湍流机理的研究湍流是指大气中局部温度、压力的随机变化而带来的折射率的随机变化。湍 流运动的动力学性质是由雷诺数(Re)来衡量的，它是一个无量纲数，其定义为：Re=%(3.1)V式中L为流动的特征长度；v为流动的特征速度；p为流体的密度；口为流体的粘性系数：v=凹为运动粘性系数。v当由雷诺数表征的粘性流体的流动超过某一临界值时，它就从层流状态转 变成一种更不规则的状态，即部分流体的速度在平均流动速度附近波动，而这些 波动具有连续功率谱。通常以涡流或涡旋形式将这些波动概念化，这些涡旋造成 了流体的移动或其它特性的混合。就大气来说，风速的湍流波动引起大气参量的 混合，如温度、气溶胶或水汽。
2、这里成为焦点的参数是折射率，即光学湍流。折 射率的变化表现为两种形式：由于地面温度的影响，大气中温度随高度会有梯度出现，于是折射率也出 现一个梯度；随位置和时间作迅速的变化，变化的频谱可达数百赫兹，变化的空 间尺度可能小到毫米量级，变化的强度与天气状况和地面状况有一定的相关关系。 柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)理论即湍流的局部均匀各向同性理论(也称2/3定律)。 它是建立在下面三个假设的基础上：1)湍流涡旋运动的随机特征是各向同性的；2)在局部均匀各向同性区域中，流体运动仅仅由内摩擦力和惯性力决定；3)在大雷诺数(Re)时，存在称为惯性范围的尺度区间，在此范围内，内摩 擦力的影响是不重要
3、的，因而可以略去，运动图像由惯性力决定。 其表达式为：Dr (r)=C介2/3|or/3) (3.14)这里是单位为(m/s) 2的平均速度，离开地面高度h的单位是km, h的 范围为520km。3.4 大气相干长度的分析大气相干长度：激光在湍流大气中传输到距离发射端Z处时，光束横截面上 相位的相干距离。它表示光波通过湍流传播的衍射极限。它是表征波结构函数的 唯一参量，与大气湍流的外尺度有关，湍流外尺度较小，大气相干长度较大，对 于平面波，相干长度表达式为：p0= (1.46C羔2口 - 3/5(3.15)3.5 Fresnel尺度的分析Fresnel尺度与湍流尺度1相近的衍射光斑尺度大小为f
4、resnel =入L/l。VLX被 称作Fresnel尺度。结合空间相干长度可界定湍流的强弱，当相干长度大于Fresnel尺度即当 Po】Fresnei时，传播条件就是弱起伏条件，随着通信距离增加，Fresnel尺度呈 非线性增加，而空间相干长度呈非线性递减，当满足Po Mresnel时为强湍流, Fresnel尺度的湍涡对传输激光束的散射是非相干散射，其Fresnel尺度的接受面 积内包含有多个不相干的光斑，Po = lFresnel的界定点所对应的传输距离为饱和 距离Ls。3.6 Rytov 指数Rytov指数主要用于作为起伏条件的衡量参数，其对应于弱起伏条件下平面波的归一化光强起伏方差，
5、用。Rytov2表示。7 11oRytov2(z) = 1.23Cnk6z-6(3.16)激光大气传输过程中会受到大气湍流影响，这种影响主要由大气分子团折射 率随机变化所引起，并形成了光束漂移、像点抖动、光束扩展、光束强度起伏、 相位起伏等现象。大气湍流对激光束的影响程度及产生的效应与激光束的直径D及湍流的尺 度L有关：1)当DL时，激光光束直径远小于湍流尺度，湍流的主要影响是使光束 产生随机偏转，发生光束漂移；2)当DL时，湍流的主要作用是使光束截面发生随机偏转，形成到达角 起伏，产生像点抖动；3)当DL时，激光光束截面内包含许多的漩涡，这些漩涡各自对照射到 它的那一部分光束形成衍射作用，使光束的强度和相位在空间和时间上 出现随机变化，光束面积不断扩大，从而产生光束扩展、大气闪烁、相 位起伏等现象。不同的效应对不同光学系统的影响各不相同，在一定条件下，湍流效应将严 重阻碍系统的正常设计性能的发挥，光波在湍流大气中的传输的理论与大气湍流 的机理密切相关，由于大气湍流理论至今尚不十分清楚，加之随机光波场的数学 处理和想干性变化规律非常负责，因此，激光大气传输湍流效应研究领域中仍有 许多问题尚待进一步的研究。