非均匀部分相干光在空海链路湍流中传输的仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种非均匀部分相干光在空海链路湍流中传输的仿真方法，包括以下步骤：S1：非均匀部分相干光建模；S2：空海湍流链路建模；S3：非均匀部分相干光在空海湍流链路中传输的建模；S4：获得到达接收平面的光场；S5：计算接收平面上的光强；S6：计算孔径平均闪烁指数；S7：计算光链路的信噪比。本发明专利技术主要解决现有技术中实际的空海链路实验平台搭建难度比较大的问题。本发明专利技术的仿真方法可模拟光束在空海链路湍流环境中的传输，同时可实现湍流环境的自主控制，非常便于采用控制变量的方法研究光束和湍流的各项参量对光束传输特性的影响规律，从而探索具有较强抗湍流能力的光载波，改善空间光通信系统的性能。改善空间光通信系统的性能。改善空间光通信系统的性能。

【技术实现步骤摘要】
非均匀部分相干光在空海链路湍流中传输的仿真方法


[0001]本专利技术属于空间光传输
，具体涉及一种非均匀部分相干光在空海链路湍流中传输的仿真方法。

技术介绍

[0002]当前人类在空间的探测活动不断增多，所使用的高分辨率空间探测平台以及多传感器复合探测技术使得星地间通信数据量呈爆炸式增长，采用射频的卫星通信不能满足需求，这种情况制约着现代社会信息化水平的整体提高。社会的发展需要由数据传输速率快、信道容量大、覆盖范围广的通信系统作为支撑。空间光通信是以光波为载体，可在真空或大气中传递信息的通信技术，具有通信容量大，数据传输速率高的优点。随着卫星激光通信关键技术的突破及其优势的逐步体现，将光通信用于卫星通信来满足社会对高数据速率和大通信容量日益增长的需求，已成为研究和工业领域的普遍共识。面向未来世界的通信结构将是卫星光网络和地面光纤网络相互交融的海陆空天一体化光网络的通信系统。
[0003]光载波在大气和海洋信道中传输时，存在的湍流会引起光载波波前畸变，造成接收平面上光斑弥散、光束漂移以及光强闪烁等，这些因素都会导致接收到的光信号质量下降，降低接收端信号的信噪比，从而影响系统的误码率和通信距离、通信带宽，制约着空间光通信的发展。因此，空间光通信具有其独特的优势，但在实际应用过程中也面临着一些科学问题需要解决。其中，提高光载波的抗湍流能力，从而改善空间光通信系统的性能就是亟待解决的问题。
[0004]提高光载波的抗湍流能力需要研究光束在湍流中的传输特性，弄清光和湍流的相互作用机理。其中，研究光束在湍流中传输的平台非常重要。针对湍流是不规则复杂流动、空海链路距离上千米以及空中实验平台不易搭建等的情况，搭建模拟光束在倾斜链路大气湍流中传输的仿真平台具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决现有技术搭建实际空海链路的困难，提供一种原理科学、操作简便的非均匀部分相干光在空海链路湍流中传输的仿真方法。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：非均匀部分相干光在空海链路湍流中传输的仿真方法，包括以下步骤：S1：非均匀部分相干光建模；S2：空海湍流链路建模；S3：非均匀部分相干光在空海湍流链路中传输的建模；S4：获得到达接收平面的光场；S5：计算接收平面上的光强；S6：计算孔径平均闪烁指数；S7：计算光链路的信噪比。
[0007]进一步的，步骤S1具体为：光源可采选用任意类型的光束，并根据应用环境确定目标光束的各项参量大小；可根据所需自主选择调制相干度分布的函数，实现空间相干度的非均匀分布；利用空间随机透射相屏理论来完成非均匀部分相干光束的构建，并由发射端发射；
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(1)公式（1）中， 表示构建的部分相干光；表示所选的完全相干光；表示构建部分相干光的随机透射相屏函数，其表达式为：
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(2)
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(3)公式（3）中，是方差为的复随机数，下标“nn”表示大小为n
×
n的采样网格点；为高斯谢尔模式，其表达式为：
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(4)其中，为宽度参量；相干长度与其关系为：
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(5)部分相干光的互相干函数为：
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(6)对相干长度进行调制得到非均匀部分相干光，其互相干函数表达式为：
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(7)进一步的，步骤S2具体为：基于大气和海洋湍流的功率谱模型和描述折射率结构常数随高度变化的Hufnagel
‑
Valley模型，利用Monte
‑
carlo技术和次谐波补偿理论构建模拟大气和海洋湍流的相屏；
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(8)公式（8）中，Re表示取实部；F
‑1表示逆傅里叶变换；C
nn
表示具有零均值和单位方差的复随机正态数，下标“nn”表示大小为n
×
n网格上的采样点；表示大气或海洋的功率谱模型；大气湍流的折射率功率谱采用Von Karman模型：
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(9)上式中，，f为相屏平面上的空间频率；，；公式（9）中表征大气湍流强度的是高度的函数，其表达式为：
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(10)其中，h表示距离地面的高度，单位为m；风速取值为21m/s；表示距离地面1km内的折射率结构常数；海洋湍流的折射率功率谱模型为：
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(11)
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(12)
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(13)
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(14)
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(15)
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(16)在公式(11)
‑
(16)，C0取值为0.72；每单位流体质量的湍流动能耗散率取值范围为10
‑1m2/s3到10
‑
10
m2/s3；C
1 取值为2.35；η是柯尔莫哥洛夫微尺度；， ；和分别表示均方温度和盐度的耗散率，表示和的相关性 ；；在平均温度和盐度梯度恒定的情况下，ω是温度与盐度对谱贡献的比率，取值范围从
−
5（对应于以温度为主的湍流）到0（对应于以盐度为主的湍流）； 和 分别是涡流热扩散系数和盐的扩散系数；使用单次湍流相屏实现模拟通信信道中某时刻的大气湍流效应，两次不同的湍流相屏实现表示同一强度不同时刻的大气湍流；由于等式（8）中的C
nn
，使具有相同湍流强度的不同湍流屏可模拟大气湍流的变化；同时，通过控制湍流的参数，可实现传输路径中恒定的湍流强度，便于采用控制变量法研究光束不同参量对其传输特性的影响规律。
[0008]进一步的，步骤S3具体为：将传输距离分为若干段，基于扩展惠更斯
‑
菲涅尔理论，完成光束在湍流中传输的分段传输算法；同时利用步骤S2中所述湍流相屏生成方法，得到模拟每一分段湍流效果的相屏，并将所得该分段的相屏插入对应分段；完成非均匀部分相干光束在空海链路湍流环境中传输的建模；
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(17)光束在湍流中传输的分段传输算法如公式（17）所示，其中L为传输距离；将传输距
离分为n段，表示第i个接收平面上的位置矢量；F和 F...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.非均匀部分相干光在空海链路湍流中传输的仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：非均匀部分相干光建模；S2：空海湍流链路建模；S3：非均匀部分相干光在空海湍流链路中传输的建模；S4：获得到达接收平面的光场；S5：计算接收平面上的光强；S6：计算孔径平均闪烁指数；S7：计算光链路的信噪比。2.根据权利要求1所述的非均匀部分相干光在空海链路湍流中传输的仿真方法，其特征在于：步骤S1具体为：光源可采选用任意类型的光束，并根据应用环境确定目标光束的各项参量大小；可根据所需自主选择调制相干度分布的函数，实现空间相干度的非均匀分布；利用空间随机透射相屏理论来完成非均匀部分相干光束的构建，并由发射端发射；
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(1)公式（1）中， 表示构建的部分相干光；表示所选的完全相干光；表示构建部分相干光的随机透射相屏函数，其表达式为：
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(2)
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(3)公式（3）中，是方差为的复随机数，下标“nn”表示大小为n
×
n的采样网格点；为高斯谢尔模式，其表达式为：
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(4)其中，为宽度参量；相干长度与其关系为：
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(5)部分相干光的互相干函数为：
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(6)对相干长度进行调制得到非均匀部分相干光，其互相干函数表达式为： (7)
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。3.根据权利要求2所述的非均匀部分相干光在空海链路湍流中传输的仿真方法，其特征在于：步骤S2具体为：基于大气和海洋湍流的功率谱模型和描述折射率结构常数随高度变化的Hufnagel
‑
Valley模型，利用Monte
‑
carlo技术和次谐波补偿理论构建模拟大气和海
洋湍流的相屏；
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(8)公式（8）中，Re表示取实部；F
‑1表示逆傅里叶变换；C
nn
表示具有零均值和单位方差的复随机正态数，下标“nn”表示大小为n
×
n网格上的采样点；表示大气或海洋的功率谱模型；大气湍流的折射率功率谱采用Von Karman模型：
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(9)上式中，，f为相屏平面上的空间频率；，；公式（9）中表征大气湍流强度的是高度的函数，其表达式为：
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(10)其中，h表示距离地面的高度，单位为m；风速取值为21m/s；表示距离地面1km内的折射率结构常数；海洋湍流的折射率功率谱模型为：
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(16)在公式(11)
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(16)，C0取值为0.72；每单位流体质量的湍流动能耗散率取值范...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚琳，王铭淏，王艳，付吉强，朱恒，尹春洋，明五一，李晓科，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：