基于稀疏谱的大气湍流相位屏模拟技术研究
发布时间：2021-01-16 18:01
在大气空间光通信研究中,由于大气湍流的影响,光束在大气中传输时系统误码率会增加,系统通信性能变差。为了提高空间光通信质量,需要找寻抑制大气湍流效应的方法,但由于外场试验成本高效率低,因此在实验室内模拟大气湍流是空间光通信系统性能仿真测试的一种高效率低成本技术手段。现代光学多采用以Kolomogrov、Von Karman等经典湍理论为基础的数值模拟方法模拟大气湍流,但这些湍流理论细节信息不够丰富,而稀疏谱湍流理论具有形式简单、无周期的特点,能够更好地描述湍流的细节,其中本文采用的数学分区方法不涉及频域的变换,无周期性问题且变换形式简单,因此基于稀疏谱湍流理论的数学分区方法在湍流数值模拟方面具有良好的应用前景。本文对基于稀疏谱湍流理论的数学分区方法的相位屏模拟技术进行了研究。首先,根据稀疏谱湍流理论相位函数的特点,采用数学方法分析光波的方向、大小和振幅,使得到的相位屏满足相位结构函数和相位函数的数学要求。较之经典相位屏模拟方法,数学分区方法生成湍流相位屏的计算量明显小得多。分别在0.01m、0.05m、0.1m的大气相干长度下,将采用数学分区方法生成的相位屏灰度图和功率谱反演法生成的相位...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
湍流池结构示意图
第1章绪论3图1.2多层随机相位屏的模拟原理1983年，Wallner提出了协方差法，用协方差法构造矩阵，使矩阵上的点符合相位结构函数，协方差适用于模拟Kolmogorov大气湍流模型，精确度比较高但是计算量很大[12]。后来，Noll根据Zernike多项式，建立一组完备正交基模拟大气湍流，这是时域的变换，不需要经过频域的间接变换，这种方法得到的相位屏冗余度小，并且是随着模拟阶数的增加模拟精度也越高，但是计算量十分巨大，需要选择合适的阶数模拟不同强度的大气湍流。1992年，Lane等人提出了次谐波法，次谐波法低频信息丰富，但是高频成分不足，这种方法计算量巨大，一般计算到5阶。后来，常将由次谐波法生成的相位屏和缺少低频成分的相位屏叠加，用于相位屏低频补偿[13]。1996年，McGlamery提出了功率谱反演法，该方法对功率谱密度函数作傅里叶变换，在滤波过程中引入相位畸变，最后进行傅里叶反变换，该方法生成的相位屏高频信息丰富却极度缺少低频信息[14]。这种方法现在用的比较多，在此基础上有了许多改进的相位屏生成方法。2000年，DonaldRMcGaughey用分数高斯过程算法产生了光束波前畸变的新方法。这种算法用一维和三维的形式表示了模拟波前的相关函数和功率谱，是一种能够有效模拟光束畸变的方法[15]。2007年，帕多瓦大学的AlessandroBeghi提出了一种基于随机实现理论的大气湍流相位屏模拟方法，这种方法考虑统计信息并能够及时扩展相位屏，这种方法用于增加重构结构函数的准确性，能够优化存储器的性能[16]。2011年，AkondiVyas根据相位结构函数的误差，对大气湍流相位屏模拟的网格尺寸进行了优化，使相位屏的模拟更加精确[17]。2014年，密歇根理工大学的MichaelC.Roggemann提出了一种模拟非Kolmogrov定律的方法，采?
第2章大气湍流光束传输理论7方向和速度的漩涡分子，这些漩涡分子相互交叠，就形成了大气湍流。图2.1Richardson级串模型2.1.2大气湍流特征参数（1）相位结构函数相位结构函数一般用来评估相位屏的频率特性。理论结构函数一般由湍流理论模型决定，实际结构函数的生成方法由湍流相位屏得到，取相位屏上一定距离两点的相位差作为该段距离的结构函数，将理论结构函数和实际生成相位屏进行对比，拟合程度越高，表明生成的结构函数越符合对于的大气湍流模型。生成实际结构函数的方法一般分成两种：第一种是仅分析一幅相位屏的结构函数，这种情况生成的结构函数能够很好地反映这幅相位屏的拟合度，但是由于在每一幅的相位屏仿真过程中都会引入随机数，那么生成的单幅相位屏很难具有代表性；另一种就是生成多幅相位屏，对同一位置的多个数据取平均值，最后把这些数据整合成结构曲线，本文采用这种结构函数生成方式。一般不同的湍流模型会有不同的结构函数曲线。相位结构函数是验证模拟的大气湍流是否符合模型参数的重要指标[28]。一般将实验室仿真得到的相位屏按照公式（2-1）计算得到实际相位结构函数。22D(r)=<[S(R+r)]S(r)]（2-1）可以取左下角为相位屏半径的计算原点，选取多个采样半径，对每个采样半径下的数据计算平均数作最终结构函数曲线。（2）大气相干长度大气相干长度是表征大气湍流强度的一个重要参数，一般大气相干长度表示为0r。在研究激光与大气之间的相互作用时，大气湍流强度和相干长度存在紧密的联系，通常用大气相干长度来表征湍流的强弱，一般0r越小，天气越恶劣，大气湍流扰动越强烈[29]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]低频补偿功率谱反演法模拟大气湍流相位屏[J]. 李玲玲,赵恒凯. 工业控制计算机. 2019(08)
[2]基于功率谱反演法的大气湍流相位屏数值模拟[J]. 杨海波,许宏. 光电技术应用. 2019(04)
[3]基于大气湍流光闪烁的真随机数提取研究[J]. 亢立明,姚海峰,陈纯毅,刘中辉,向磊. 应用光学. 2019(03)
[4]一种改进的次谐波大气湍流相位屏模拟方法[J]. 刘涛,朱聪,孙春阳,张景芝,雷艳旭,张荣香. 光子学报. 2019(02)
[5]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)
[6]湍流大气中折返路径激光成像探测实验[J]. 王钰茹,梅海平,康丽,武鹏飞,崔朝龙. 中国激光. 2018(04)
[7]大气湍流中后向反射波闪烁特性数值模拟[J]. 韩星星. 自动化技术与应用. 2017(08)
[8]自由空间光通信在大气信道下的通信性能分析[J]. 刘程,顾仁涛,张佳玮,李慧. 无线电工程. 2017(01)
[9]Zernike多项式对空间高频相位拟合的改进方法[J]. 陈丽霞,胡小川,韩开,张彬. 光学学报. 2016(03)
[10]非均匀采样的功率谱反演大气湍流相位屏的快速模拟[J]. 蔡冬梅,遆培培,贾鹏,王东,刘建霞. 物理学报. 2015(22)
博士论文
[1]自适应光学技术在大气光通信中的应用研究[D]. 武云云.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
[2]大气湍流下空间光通信的性能及补偿方法研究[D]. 韩立强.哈尔滨工业大学 2013
[3]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
硕士论文
[1]移动平台光通信链路的相位屏模拟方法和实验研究[D]. 林远见.电子科技大学 2018
[2]室内大气湍流模拟系统的研究[D]. 张智露.太原理工大学 2017
[3]高分辨率激光成像技术研究[D]. 王艳平.电子科技大学 2006
本文编号：2981283
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
湍流池结构示意图
第1章绪论3图1.2多层随机相位屏的模拟原理1983年，Wallner提出了协方差法，用协方差法构造矩阵，使矩阵上的点符合相位结构函数，协方差适用于模拟Kolmogorov大气湍流模型，精确度比较高但是计算量很大[12]。后来，Noll根据Zernike多项式，建立一组完备正交基模拟大气湍流，这是时域的变换，不需要经过频域的间接变换，这种方法得到的相位屏冗余度小，并且是随着模拟阶数的增加模拟精度也越高，但是计算量十分巨大，需要选择合适的阶数模拟不同强度的大气湍流。1992年，Lane等人提出了次谐波法，次谐波法低频信息丰富，但是高频成分不足，这种方法计算量巨大，一般计算到5阶。后来，常将由次谐波法生成的相位屏和缺少低频成分的相位屏叠加，用于相位屏低频补偿[13]。1996年，McGlamery提出了功率谱反演法，该方法对功率谱密度函数作傅里叶变换，在滤波过程中引入相位畸变，最后进行傅里叶反变换，该方法生成的相位屏高频信息丰富却极度缺少低频信息[14]。这种方法现在用的比较多，在此基础上有了许多改进的相位屏生成方法。2000年，DonaldRMcGaughey用分数高斯过程算法产生了光束波前畸变的新方法。这种算法用一维和三维的形式表示了模拟波前的相关函数和功率谱，是一种能够有效模拟光束畸变的方法[15]。2007年，帕多瓦大学的AlessandroBeghi提出了一种基于随机实现理论的大气湍流相位屏模拟方法，这种方法考虑统计信息并能够及时扩展相位屏，这种方法用于增加重构结构函数的准确性，能够优化存储器的性能[16]。2011年，AkondiVyas根据相位结构函数的误差，对大气湍流相位屏模拟的网格尺寸进行了优化，使相位屏的模拟更加精确[17]。2014年，密歇根理工大学的MichaelC.Roggemann提出了一种模拟非Kolmogrov定律的方法，采?
第2章大气湍流光束传输理论7方向和速度的漩涡分子，这些漩涡分子相互交叠，就形成了大气湍流。图2.1Richardson级串模型2.1.2大气湍流特征参数（1）相位结构函数相位结构函数一般用来评估相位屏的频率特性。理论结构函数一般由湍流理论模型决定，实际结构函数的生成方法由湍流相位屏得到，取相位屏上一定距离两点的相位差作为该段距离的结构函数，将理论结构函数和实际生成相位屏进行对比，拟合程度越高，表明生成的结构函数越符合对于的大气湍流模型。生成实际结构函数的方法一般分成两种：第一种是仅分析一幅相位屏的结构函数，这种情况生成的结构函数能够很好地反映这幅相位屏的拟合度，但是由于在每一幅的相位屏仿真过程中都会引入随机数，那么生成的单幅相位屏很难具有代表性；另一种就是生成多幅相位屏，对同一位置的多个数据取平均值，最后把这些数据整合成结构曲线，本文采用这种结构函数生成方式。一般不同的湍流模型会有不同的结构函数曲线。相位结构函数是验证模拟的大气湍流是否符合模型参数的重要指标[28]。一般将实验室仿真得到的相位屏按照公式（2-1）计算得到实际相位结构函数。22D(r)=<[S(R+r)]S(r)]（2-1）可以取左下角为相位屏半径的计算原点，选取多个采样半径，对每个采样半径下的数据计算平均数作最终结构函数曲线。（2）大气相干长度大气相干长度是表征大气湍流强度的一个重要参数，一般大气相干长度表示为0r。在研究激光与大气之间的相互作用时，大气湍流强度和相干长度存在紧密的联系，通常用大气相干长度来表征湍流的强弱，一般0r越小，天气越恶劣，大气湍流扰动越强烈[29]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]低频补偿功率谱反演法模拟大气湍流相位屏[J]. 李玲玲,赵恒凯. 工业控制计算机. 2019(08)
[2]基于功率谱反演法的大气湍流相位屏数值模拟[J]. 杨海波,许宏. 光电技术应用. 2019(04)
[3]基于大气湍流光闪烁的真随机数提取研究[J]. 亢立明,姚海峰,陈纯毅,刘中辉,向磊. 应用光学. 2019(03)
[4]一种改进的次谐波大气湍流相位屏模拟方法[J]. 刘涛,朱聪,孙春阳,张景芝,雷艳旭,张荣香. 光子学报. 2019(02)
[5]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)
[6]湍流大气中折返路径激光成像探测实验[J]. 王钰茹,梅海平,康丽,武鹏飞,崔朝龙. 中国激光. 2018(04)
[7]大气湍流中后向反射波闪烁特性数值模拟[J]. 韩星星. 自动化技术与应用. 2017(08)
[8]自由空间光通信在大气信道下的通信性能分析[J]. 刘程,顾仁涛,张佳玮,李慧. 无线电工程. 2017(01)
[9]Zernike多项式对空间高频相位拟合的改进方法[J]. 陈丽霞,胡小川,韩开,张彬. 光学学报. 2016(03)
[10]非均匀采样的功率谱反演大气湍流相位屏的快速模拟[J]. 蔡冬梅,遆培培,贾鹏,王东,刘建霞. 物理学报. 2015(22)
博士论文
[1]自适应光学技术在大气光通信中的应用研究[D]. 武云云.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
[2]大气湍流下空间光通信的性能及补偿方法研究[D]. 韩立强.哈尔滨工业大学 2013
[3]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
硕士论文
[1]移动平台光通信链路的相位屏模拟方法和实验研究[D]. 林远见.电子科技大学 2018
[2]室内大气湍流模拟系统的研究[D]. 张智露.太原理工大学 2017
[3]高分辨率激光成像技术研究[D]. 王艳平.电子科技大学 2006
本文编号：2981283
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