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基于稀疏谱的大气湍流相位屏模拟技术研究

张小琪  
【摘要】: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屏灰度图进行对比,由湍流密度看出分区模型的湍流细节更加丰富,根据生成相位结构函数曲线对比图,数学分区方法得到的相位结构函数曲线拟合度更高。然后,将得到的相位屏连续加载到液晶空间光调制器(Liquid Crystal On Spatial Light Modulator,LC-SLM)上,分别收集不同大气相干长度下的光斑信息。通过相机收集到的光斑信息计算光斑半径、光束到达角、光束漂移量等参数,验证和真实大气湍流效应的拟合度。经验证,大气相干长度越小,湍流扰动越强烈,符合大气湍流扰动规律,并且大气湍流效应的验证指标处于正常范围内。最后,在湍流效应的计算基础上,分别验证了大气折射率结构常数和大气相干长度,这两个大气湍流特征参数也处于相应湍流强度的正常范围内。仿真和实验测试结果表明,稀疏谱数学分区方法具有运算简单、模拟周期长等优点,并且能够较好地模拟大气湍流细节。综上,本文所做研究,为稀疏谱大气湍流相位屏模拟提供了一种模拟方法,为优化空间光通信系统提供了参考。


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