光波大气湍流传输蒙特卡罗仿真建模与算法研究

发布时间：2020-08-07 02:06

【摘要】：近地面大气绝大多数情况下都处于湍流运动状态。大气湍流介质的光学折射率扰动导致光信号经其传播后出现光强闪烁、光束漂移、光束扩展、到达角起伏等现象,它们通常都对实际光波传输工程系统性能产生负面影响。为了评估这种负面影响的严重程度,需要定量地研究光波经大气湍流传输后的各种光波参数统计量。研究各种光波参数统计量的方法包括理论解析法、实验测量以及计算机仿真等。理论解析法求解光波大气湍流传输问题时,往往要作一定的限定性假设,使得建立的理论模型只在特定条件下有效。实验测量受各种环境和工程条件制约,灵活性不高,不易获得全面的测量结果。计算机仿真本质上是利用蒙特卡洛方法产生随机光场样本,再对样本进行统计分析以获得各种光波参数统计量,其具有传输参数可灵活改变的优点,可为各种光波传输工程系统的设计提供更加全面的数据支持。针对国内外文献,研究了大气湍流随机相位屏模型、随机相位屏数值生成方法以及光波传输计算机仿真的空间采样约束。综合分析已有研究成果,完成了光波大气湍流传输数值实验建模与计算机仿真优化、光波大气湍流传输仿真实验置信度验证、光脉冲在各向异性大气湍流水平传输的脉冲时间展宽算法研究和光波大气湍流传输CUDA仿真实验算法研究。主要研究内容和结论归纳如下:(1)针对光波大气湍流传输蒙特卡罗仿真问题,首先提出根据平均光强分布来确定光场网格采样保存区域的方法,然后设计出并行集群仿真方案,从而显著减小保存光场样本数据所需的存储空间,有效地缩短计算机仿真时间长度。通过仿真实例,研究了准直基模高斯光束经大气湍流传输后的平均光强和拉盖尔-高斯光束经大气湍流传输后的空间模构成变化问题。分析结果表明:对于水平传输,相对于高阶矩匹配法,使用零阶矩匹配法确定的随机相位屏的大气相干参数能得到更高的仿真精度;对于大气湍流导致拉盖尔-高斯光束发生模间散射,其强度取决于绝对湍流强度以及光束的发射平面参数、径向指数和方位指数。(2)在光波大气湍流传输蒙特卡罗仿真方法的基础上,计算机仿真准直超短光脉冲经长度为3km的弱湍流水平路径传输后的双频互相干函数,并与数值分析的100组数据进行了对比。分析结果表明:在在弱湍流和窄带近似条件下,前部分数据的双频互相干函数的计算机仿真结果与理论解析结果比较一致,且两个频率的差值越大,能保持的相干程度越低,进一步验证计算机仿真的正确性。(3)提出了一种在强各向异性大气湍流中基于惠更斯-菲涅尔原理的高斯光脉冲沿水平路径传播的双频互相干函数的表达式。根据获得的表达式,利用时间矩阵的方法,推导出强各向异性大气湍流的均方脉冲时间宽度值的接近表达式,并进行数值分析,分析结果表明:受湍流影响的均方脉冲时间宽度值增量会随着有效各向异性系数ζ_e的增长而增长。基于上述所取得的理论结果,确定出光脉冲在强各向异性大气湍流中沿水平路径传输的时间扩展计算方法,为用计算机仿真研究各向异性湍流对光脉冲时间扩展特性奠定了理论基础。(4)针对光波大气湍流传输计算机仿真的速度问题,提出根据相位屏的网格采样数量进行分块处理的方法和减少CPU与GPU通信量的零复制方法,并设计出基于CUDA的并行实现算法。通过相关计算机仿真实例,研究了准直基模高斯光束经大气湍流传输后的光强、相位和光斑的分布情况。分析结果表明:基于蒙特卡罗的傅立叶变换相位屏采样个数为1024×1024以下时,由于采样点比较少,基于CPU的串行计算方法和基于CUDA的并行计算方法耗时相差不大,无法显示出GPU的优势,但当采样个数为1024×1024以上时,随着采样点增多,两者的耗时明显区分开来;而基于蒙特卡罗的稀疏谱模型相位屏占用内存比较大,采用了优化的CUDA并行计算方法,与基于CPU串行计算方法相比,前者的加速比显著高于后者。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.12;TP391.9
【图文】：

湍流传输,光强分布图,横截面

2.2 经湍流传输后光束横截面的光强分布图，人们需要一个能够准确反映湍流的物理而影响光传输的湍流模型已经受到很长时证。目前，广泛接受的模型是能够和观测后来 Later、Obukhov 等[3]采用 Kolmogoro波动理论可以直接关联到折射率波动上，于描述大气波动的折射率结构函数遵循 2/( )2230 0,n nD r = C r l ≤ r ≤ L结构常数。常数分目前没有统一的标准，通常用大气湍流折湍流强弱的方法通过2nC 值的表达为：当2nC17 2/3 2 1 3 2/36.4 10 m2.5 10mnC × < < × 时，大

模型图,相位屏,大气湍流,模型

这种统计模型用于计算，可能结果就不那么用的方法就是对湍流进行限定数量的分层，分层模型随机介质的常用方法，也适用于计算机仿真。在模型一振幅的薄相位屏，其厚度远远小于屏之间的传输距位扰动计算。同时，每一个厚度为 Δz 的分层被有效地间位置 Δz /2，光在相位屏的左右传输被看作是自由空因此，随机不均匀连续介质就可以通过这一系列相位假设平板前表面 zi-1不引起光束的相位变化，采用真起光束相位变化，相位调制公式为[38]

中点位移,算法,高斯变量,初始角

图 2.4 中点位移算法的四个步骤分别为[15]：初始角点合大气湍流随机特性的相位屏初始角点，采样点数为 2N×2N，角1 12 23 34 4a b ca b ca b ca b cA R R RA R R RA R R RA R R R = + + = + = = + 是均值为零、方差为2aσ 的随机高斯变量，n 分别取 1、2、3、4；、方差分别为2bσ 、2cσ 的随机高斯变量。方格区域中心点值 C 取值如下

【参考文献】