浅析实验室的大气湍流模拟装置

当看到光电汇实验室光电产品征文大赛的通知时，一下子让我的思绪回到了三年前刚来长春，刚来长春理工大学，刚来这个实验室时的场景。记得三年前第一次来长春的时候是在4月份北方的春天，可到了长春才发现，原来东北的冬天刚接近尾声，还有雪花在进行着最后的助兴，当时的感觉是原来长春的春天这么冷。第一眼看到长春理工大学时就被理工科技大厦这座楼征服了，当踏进这个实验室时，感觉特别激动，当知道自己未来五年学习和生活都将在这里度过时，不仅激动还有些许忐忑。从此开始了我大气激光通信研究的征途。

一说到大气激光通信大家都不陌生，最先关注到的自然就是“大气”两个字，大气信道对激光通信系统的影响很大而且随机性较强。其中大气湍流引起了光强闪烁、到达角起伏、光束漂移和光束扩展等效应。为了克服大气湍流对大气激光通信的系统的影响，实验室设计并研制了热风对流式大气湍流模拟装置，为室内模拟大气环境下的激光传输特性研究提供了实验条件。

关于大气湍流的模拟方法有很多种，主要有基于液晶的大气湍流模拟器、基于随机相位片以及热风对流式大气湍流模拟装置等。大气湍流模拟装置基于流动的相似性理论基础，能够真实的模拟大气湍流的光学特性。

大气湍流模拟装置的湍流强度可以通过相干长度来衡量，对于平面波

其中，为光波波长，为传输路径上的平均折射率结构常数，为传输路径长度。而平均折射率结构常数直接与温度结构常数相关，满足下式

其中，n为折射率，t为温度，单位为℃。实验室中大气湍流模拟装置原理即如上所述。

实验室的热风对流式大气湍流模拟装置主要由自动控制系统、测温系统、加热系统、冷却系统、池体和通光孔径六部分组成。对流式大气湍流模拟装置整体结构图以及实验室装置如图1所示。

                          图1 热风对流式大气湍流模拟装置

池体侧面由高温隔热板组成，可以减少池体表面与外界热交换，而池体底部为加热系统即底部由加热板组成，通过通电加热；系统的冷却系统位于池体的顶部，通过自来水或者冷却水的循环流动达到制冷的目的，使池体顶部保持恒定的室温。即池体底部平板加热，顶部平板制冷，这样就可以在池体的顶部和底部之间形成上下平行平板间温度差，产生对流，当温度差达到一定程度时形成湍流；

通光孔径为光学平面透镜，在池体的两侧，实现光束传输，同时还可在通光孔径两侧设置光学折射透镜增加有限空间内室内大气环境下激光传输距离；

测温系统由温度探测器系统构成，能够实时采集和存储系统的温度信息并且能够实时调整；

自动控制系统即为人机交换箱，用户可以根据需求预设信息和温度采集信息，控制整个热风对流式大气湍流模拟装置，整个系统的工作、控制过程均为闭环。

通过该模拟装置我们在实验室进行了不同波长、不同大气湍流强度、不同传输距离的大气激光传输特性的模拟实验，其中，波长为1550nm的发射端和接收端的的收端0距离的大气激光川摄了不同发射波长实验装置如图2所示。

                     图2 1550nm大气激光传输特性模拟实验装置

首先对大气湍流模拟装置的模拟范围进行标定。实验装置主要包括激光光源、二级准直扩束装置、缩束装置、透镜、测量相机、热风对流式大气湍流模拟装置以及用于采集和处理数据的计算机等。功率为50mw的激光器发射波长为1550nm的激光光束首先通过准直装置进行准直，然后经过放大倍率为5倍，发射口径为30mm的透射式初级扩束器进行扩束，再通过放大倍率为7倍的反射式扩束装置进行最后的扩束与准直，最终的束散角约为0.5mrad，发射口径为210mm，经过大气湍流模拟装置传输到达接收端，由口径为210mm的反射式缩束装置进行接收并缩束，再由透镜聚焦到测量相机光敏面上，计算机对采集到的数据进行处理和分析。

简单的介绍了一下实验室的热风对流式大气湍流模拟装置以及所进行的实验，虽然所做的工作还不是很多，但是大气湍流模拟装置所发挥的作用却很大，希望在日后的研究工作中，能够多多与它打交道。