2-32 阵发湍流与激光大气传输

许海波 王光瑞

　　激光通过大气环境后，在目标处希望得到振幅与相位未畸变的激光束。大气对激光传输的影响表现在：大气对激光的吸收和散射引起激光在传输路径上的能量损失；大气吸收的热晕效应；大气湍流效应。要定量研究上述问题，数值模拟需解的方程组为：刻划激光场的Maxwell方程组；描述大气状态的流体力学方程组；各类参数、大气模型与传输场景。

　　发展唯象理论，着重被动量的标度指数分布函数，可为研究大气湍流对激光传播的影响打下基础。并且在湍流中标量场的标度指数、统计分布及激光在大气中传播等问题中提出几项值得研究的工作：（1）基于描述湍流场的NSE是确定论方程的特点，以非线性动力学（混沌、分形）为工具，探索大气湍流的机理；（2）数值解三维NSE，在计算方法和计算环境上有很大的难度，现在的条件不能去做湍流的流体力学计算，但有可能在一些简化模型上做数值研究。选择合适的模型，从关联函数研究激光在大气传播时一些被动量（速度、温度、能谱、折射率）的结构函数及其标度指数的奇异标度律；（3）根据已有的有关守恒被动量理论和已知的考虑了阵发效应的标度指数和统计分布，建立折射率的标度指数和统计分布，并研究其对激光传播的影响；（4）对可压缩流体作绝热近似后，密度仅是温度的函数（否则是两个变量的函数）。故系统中温度涨落致使密度也涨落，而密度涨落直接影响折射率涨落，它涉及可压缩流体的湍流问题；（5）在观测中，阵发现象表现为“时间”效应，但在已有的理论中，只表现在标度指数和统计分布上；（6）利用研究大气中光传输湍流效应的Rytov方法、Markov近似、广义惠更斯- 菲涅耳原理等多种理论模型，探求激光在考虑阵发湍流效应后大气中传输的一些湍流效应；（7）以串级统计模型中随机映射为基础，探求反常标度律。

　　研究湍流阵发性的实验与理论工作，有利于推动湍流这个理论物理学上历史性难题的进展。在搞清楚湍流阵发性机理的基础上，给出阵发湍流中标量场的标度指数、统计分布等结果，但有些湍流效应能严重地阻碍系统设计性能的正常发挥。因此，在阵发湍流机理基础上，有必要进一步深入地研究激光在大气中传输产生的各种湍流效应，最终推进GBL与ABL等激光通信、激光雷达等领域光学系统的研制和使用，以在目标处达到最佳效果。