综合斜程传输和光束扩展影响下的大气湍流相位屏组设计
发布时间：2021-07-14 19:45
设计了综合斜程传输和光束扩展影响下的相位屏组来模拟光束经大气层斜程传输后产生的波前畸变,先利用功率谱反演法和次谐波补偿法生成垂直传输路径的相位屏,再结合斜程大气传输理论对相位屏进行斜程修正,得到适用于模拟斜程大气湍流影响的相位屏。通过数值分析对比了斜程相位屏与垂直路径相位屏相位结构函数的差别。结合光束扩展情况计算每个高度区间对应的波前畸变空间分布,建立了相位屏组模型,最后得到接收光波面各位置的相位分布。
【文章来源】：红外与激光工程. 2019,48(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
斜程相位屏的设计流程
。1.2对大气湍流相位屏的斜程修正光束发散角的存在使得其在经大气斜程传输后，到达接收光阑各空间位置时受大气衰减的影响程度不同。因此在模拟经大气斜程传输的波前畸变时，除考虑大气湍流功率谱在空间频域的非均匀分布之外，还要考虑接收光波前各位置的传输路径差异导致的大气湍流功率谱在空间位置上的非均匀分布，从而能准确得到斜程传输影响下的相位屏各点的相位值。斜程相位屏的设计流程如图1所示。图1斜程相位屏的设计流程Fig.1Designflowofobliquephasescreen从垂直路径相位屏变换到斜程相位屏的过程如图2所示。设垂直路径相位屏所在平面为x′oy′平面，原点为光束中心与平面的交点，则各采样点的坐标为：x′＝m△xy′＝n△△y(6)图2相位屏的投影变换Fig.2Projectiontransformationofphasescreen斜程相位屏所在平面为xoy平面，则经过投影以后，各点坐标为：x＝m△x/sinθy＝n△△y(7)式中：θ光束中心与地面的夹角，即光束中心的倾斜角。设激光光束发散角为α，则x方向上相邻采样点相对于光束出射点的夹角可以近似为：δ=α/Nx(8)则序号为m的采样点对应的入射倾斜角为：θm=θ-mδ(9)不同采样点对应的入射倾斜角存在细微差别，导致各采样点的大气湍流相干长度也不同。序号为m的采样点对应的大气湍流相干长度为：r0m=0.423k2secφmz+dzz乙Cn2(h)dΣ乙h-3/5(10)式中：φm=π2-θm。对应的功率谱密度为：Φφm(fx,fy)=0.023r0m-5/3f-11/3(11)将上式代入公式(4)可得：φ′(m△xsinθ，n△y)=Nx/2ΣNy/2Σcmm′,n′ej2π(m′△fxm△x+n′△fyn△y)Σ乙(12)式中：cmm′,n′=R(m△fx，n△fy)Φφm(m△fx，n△fy)姨△fx△fy。对于低频部分有：φL(m△xsinθ，n△y)=Npp=1Σ1m′=-1Σ1
红外与激光工程第4期www.irla.cn第48卷0404003-4式中：f(m′，n′)=3-2pr0m-5/6flx2+fly2!"△fx△fy。考虑大气湍流功率谱空间分布不均匀的影响，将公式(12)、(13)两部分相位合并，就得到了斜程相位屏各点的相位分布，设置湍流模拟的高度区间为0~500m，入射倾斜角为45°，激光波长为1550nm，Cn2=2×10-15m-2/3，采样间隔0.003m，采样点数为512，模拟得到的相位屏如图3所示。(a)二维相位屏(a)Two-dimensionalphasescreen(b)三维相位屏(b)Three-dimensionalphasescreen图3斜程相位屏Fig.3Obliquephasescreen2光束扩展影响下的斜程大气湍流相位屏组设计大气粒子浓度随海拔高度增加而减小[13]，当海拔高度超过20km时，大气的粒子浓度已经很低，对激光传输的影响非常弱，因此文中设置大气层厚度为20km，20km以上空间为自由空间。文中采用等Rytov指数准则[14]来划分大气湍流相位屏模拟区间。在激光信号传输波长为1550nm、传输倾斜角为20°的条件下，选取HV21[15]模型作为大气折射率结构常数模型，利用等Rytov指数准则，在20km的大气空间设置16个相位屏，相位屏模拟的传输距离区间分布如图4所示。图4等Rytov指数间隔的相位屏Fig.4PhasescreenwithequalRytovexponentialinterval从图中可以看出：等Rytov指数间隔相位屏在大气空间中的分布较为均匀，对高空弱湍流区采样较少，对低空强湍流区采样较多，同时设置16个相位屏刚好能满足对不同折射率起伏区的充分采样，同时计算量不大的要求，符合相位屏组的设置要求。对相位屏模拟区间分层后，由于激光光束发散角的存在，随着传播距离的增加，光束在传输过程中不断展宽，对于不同高度区间的光传输波前模拟，所需的相位屏尺寸也随之发生改变。为了便于利用FFT进行快速计算，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]旋转相位屏的动态大气湍流数值模拟和验证方法[J]. 李盾,宁禹,吴武明,孙全,杜少军. 红外与激光工程. 2017(12)
[2]非Kolmogorov大气湍流随机相位屏模拟[J]. 李玉杰,朱文越,饶瑞中. 红外与激光工程. 2016(12)
[3]湍流大气中斜程传输光场的相位特性[J]. 张晓欣,韩开,付福兴,张彬. 强激光与粒子束. 2013(08)
[4]采用Zernike多项式对大气湍流相位屏的仿真和验证[J]. 王奇涛,佟首峰,徐友会. 红外与激光工程. 2013(07)
[5]自适应光学系统测试中大气湍流的时域模拟[J]. 卫沛锋,刘欣悦,林旭东,张振铎,董磊. 中国光学. 2013(03)
[6]激光大气传输湍流扰动仿真技术[J]. 李波,王挺峰,王弟男,田玉珍,安雪晶. 中国光学. 2012(03)
[7]非均匀湍流路径上光传播数值模拟的相位屏分布[J]. 钱仙妹,朱文越,饶瑞中. 物理学报. 2009(09)
[8]基于畸变相位波前分形特征产生矩形湍流相屏[J]. 吴晗玲,严海星,李新阳,李树山. 光学学报. 2009(01)
[9]大气湍流畸变相位屏的数值模拟方法研究[J]. 张慧敏,李新阳. 光电工程. 2006(01)
博士论文
[1]无线光通信中的大气影响机理及抑制技术研究[D]. 陈纯毅.长春理工大学 2009
本文编号：3284775
【文章来源】：红外与激光工程. 2019,48(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
斜程相位屏的设计流程
。1.2对大气湍流相位屏的斜程修正光束发散角的存在使得其在经大气斜程传输后，到达接收光阑各空间位置时受大气衰减的影响程度不同。因此在模拟经大气斜程传输的波前畸变时，除考虑大气湍流功率谱在空间频域的非均匀分布之外，还要考虑接收光波前各位置的传输路径差异导致的大气湍流功率谱在空间位置上的非均匀分布，从而能准确得到斜程传输影响下的相位屏各点的相位值。斜程相位屏的设计流程如图1所示。图1斜程相位屏的设计流程Fig.1Designflowofobliquephasescreen从垂直路径相位屏变换到斜程相位屏的过程如图2所示。设垂直路径相位屏所在平面为x′oy′平面，原点为光束中心与平面的交点，则各采样点的坐标为：x′＝m△xy′＝n△△y(6)图2相位屏的投影变换Fig.2Projectiontransformationofphasescreen斜程相位屏所在平面为xoy平面，则经过投影以后，各点坐标为：x＝m△x/sinθy＝n△△y(7)式中：θ光束中心与地面的夹角，即光束中心的倾斜角。设激光光束发散角为α，则x方向上相邻采样点相对于光束出射点的夹角可以近似为：δ=α/Nx(8)则序号为m的采样点对应的入射倾斜角为：θm=θ-mδ(9)不同采样点对应的入射倾斜角存在细微差别，导致各采样点的大气湍流相干长度也不同。序号为m的采样点对应的大气湍流相干长度为：r0m=0.423k2secφmz+dzz乙Cn2(h)dΣ乙h-3/5(10)式中：φm=π2-θm。对应的功率谱密度为：Φφm(fx,fy)=0.023r0m-5/3f-11/3(11)将上式代入公式(4)可得：φ′(m△xsinθ，n△y)=Nx/2ΣNy/2Σcmm′,n′ej2π(m′△fxm△x+n′△fyn△y)Σ乙(12)式中：cmm′,n′=R(m△fx，n△fy)Φφm(m△fx，n△fy)姨△fx△fy。对于低频部分有：φL(m△xsinθ，n△y)=Npp=1Σ1m′=-1Σ1
红外与激光工程第4期www.irla.cn第48卷0404003-4式中：f(m′，n′)=3-2pr0m-5/6flx2+fly2!"△fx△fy。考虑大气湍流功率谱空间分布不均匀的影响，将公式(12)、(13)两部分相位合并，就得到了斜程相位屏各点的相位分布，设置湍流模拟的高度区间为0~500m，入射倾斜角为45°，激光波长为1550nm，Cn2=2×10-15m-2/3，采样间隔0.003m，采样点数为512，模拟得到的相位屏如图3所示。(a)二维相位屏(a)Two-dimensionalphasescreen(b)三维相位屏(b)Three-dimensionalphasescreen图3斜程相位屏Fig.3Obliquephasescreen2光束扩展影响下的斜程大气湍流相位屏组设计大气粒子浓度随海拔高度增加而减小[13]，当海拔高度超过20km时，大气的粒子浓度已经很低，对激光传输的影响非常弱，因此文中设置大气层厚度为20km，20km以上空间为自由空间。文中采用等Rytov指数准则[14]来划分大气湍流相位屏模拟区间。在激光信号传输波长为1550nm、传输倾斜角为20°的条件下，选取HV21[15]模型作为大气折射率结构常数模型，利用等Rytov指数准则，在20km的大气空间设置16个相位屏，相位屏模拟的传输距离区间分布如图4所示。图4等Rytov指数间隔的相位屏Fig.4PhasescreenwithequalRytovexponentialinterval从图中可以看出：等Rytov指数间隔相位屏在大气空间中的分布较为均匀，对高空弱湍流区采样较少，对低空强湍流区采样较多，同时设置16个相位屏刚好能满足对不同折射率起伏区的充分采样，同时计算量不大的要求，符合相位屏组的设置要求。对相位屏模拟区间分层后，由于激光光束发散角的存在，随着传播距离的增加，光束在传输过程中不断展宽，对于不同高度区间的光传输波前模拟，所需的相位屏尺寸也随之发生改变。为了便于利用FFT进行快速计算，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]旋转相位屏的动态大气湍流数值模拟和验证方法[J]. 李盾,宁禹,吴武明,孙全,杜少军. 红外与激光工程. 2017(12)
[2]非Kolmogorov大气湍流随机相位屏模拟[J]. 李玉杰,朱文越,饶瑞中. 红外与激光工程. 2016(12)
[3]湍流大气中斜程传输光场的相位特性[J]. 张晓欣,韩开,付福兴,张彬. 强激光与粒子束. 2013(08)
[4]采用Zernike多项式对大气湍流相位屏的仿真和验证[J]. 王奇涛,佟首峰,徐友会. 红外与激光工程. 2013(07)
[5]自适应光学系统测试中大气湍流的时域模拟[J]. 卫沛锋,刘欣悦,林旭东,张振铎,董磊. 中国光学. 2013(03)
[6]激光大气传输湍流扰动仿真技术[J]. 李波,王挺峰,王弟男,田玉珍,安雪晶. 中国光学. 2012(03)
[7]非均匀湍流路径上光传播数值模拟的相位屏分布[J]. 钱仙妹,朱文越,饶瑞中. 物理学报. 2009(09)
[8]基于畸变相位波前分形特征产生矩形湍流相屏[J]. 吴晗玲,严海星,李新阳,李树山. 光学学报. 2009(01)
[9]大气湍流畸变相位屏的数值模拟方法研究[J]. 张慧敏,李新阳. 光电工程. 2006(01)
博士论文
[1]无线光通信中的大气影响机理及抑制技术研究[D]. 陈纯毅.长春理工大学 2009
本文编号：3284775
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