摘要
临近空间高超声速飞行器作为各国航空航天和军事国防领域关注的焦点，其飞行速度高达十几马赫。高超声速飞行器飞行过程中与空气摩擦使空气电离成带电粒子包覆在飞行器周围形成等离子体鞘套。等离子体鞘套的存在会对电磁波产生吸收、折射、散射的作用从而造成外界与飞行器的通信障碍。此外，等离子体鞘套的流体结构会产生强烈的湍流效应，从而形成大量形状不同的湍涡，这是影响激光通过等离子体鞘套传播的重要原因。研究激光在等离子体湍流中传播机理的研究是解决该问题的关键。本论文将基于等离子体湍流这一随机介质，结合光传播与等离子体湍流基本理论，研究激光在各向异性等离子体湍流介质中的传播特性，仿真分析各向异性等离子体湍流对光通信性能的影响。论文主要工作包括: 1.介绍等离子体湍流模型，包括基本特性以及湍流参数。等离子体湍流与大气湍流和海洋大气湍流类似，都属于随机介质的范畴，虽然它们结构存在差异化，但是都可以运用随机介质中的经典波传播方法去研究。Rytov近似方法是求解波在弱起伏湍流介质传播的经典方法，通过结合等离子体湍流折射率起伏功率谱是解决等离子体湍流中波传播问题的基本思路。本文介绍了各向同性与各向异性等离子体湍流功率谱模型。 2.基于高斯波束的基本传输理论，选取高斯波束为入射源，利用各向异性等离子体湍流折射功率谱模型，推导了高斯波束通过各向异性等离子体湍流传播的到达角起伏、长期波束展宽、闪烁指数和平均强度，并仿真分析湍流参数对传播特性的影响。结果表明:增大湍流外尺度可以减弱湍流对波传播的影响;折射率起伏方差越大，湍流结构越复杂，对波场的影响也就越明显;各向异性参数越大，湍流的各向异性特性越强，湍流对波传播的干扰越小。 3.现有的关于等离子体湍流的研究都是针对改善飞行器的光通信性能，而为了研究等离子体湍流介质对成像系统的影响，本文基于各向同性等离子体湍流模型，推导了平面波和球面波经过等离子体湍流介质传播的波结构函数解析表达式，并在此基础上引入等离子体湍流调制传递函数。它可以估计等离子体湍流对飞行器成像质量衰减的影响。结果表明:折射率起伏方差越大，成像质量越差;湍流外尺度越大，成像效果越好;球面波比平面波更容易通过等离子体湍流。
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