地星上行激光在大气湍流中的传输特性及其数值模拟

摘要

随着激光技术的日趋发展，世界各国越来越重视空间激光通信的研究，而大气湍流的存在严重限制了空间激光通信系统的性能。大气湍流会导致光束在传播过程中出现振幅和相位的随机波动，进而引起一系列大气湍流效应，包括强度的随机起伏，光束的展宽以及光束的漂移等等。目前多采用相位屏的数值模拟方法对大气湍流进行模拟，因而采用合适的相位屏模拟方法对激光在大气湍流中的传输特性进行研究具有十分重要的理论和实践意义。
　　 本文提出一种基于多点预测的相位协方差插值方法产生湍流相位屏，由多个已知点的相位值对新插值点的相位值进行预测，推导出了插值点的预测矩阵及其残余方差的表达式，并且利用相位结构函数对相位屏的空间统计特性进行了验证，结果表明该方法产生的湍流相位屏与大气湍流的统计特性符合得较好，随着用于预测的已知点数的增加，模拟生成的湍流相位屏的精度增高，并可以进行连续插值生成无限长的湍流相位屏。接着，对一个波前倾斜校正的上行高斯光束，本文利用数值模拟方法对由湍流引起的闪烁指数以及辐照波动的概率密度分布进行了研究。结果表明，在发射光束直径较小时，模拟得到的轴上光强的概率密度分布和对数正态分布的概率密度分布曲线符合较好;而在发射光束直径较大时，轴上光强的概率密度分布不是一般所认可的对数正态分布，而更接近于正态分布。最后本文研究了地星上行高斯光束在大气湍流中传输的时域特性。主要考虑由风速引起的大气湍流随时间的变化特性对激光束的影响，首先根据FFT谱反演法产生初始相位屏，并对其进行低频补偿;其次，根据本文提出的基于多点预测的相位协方差法对补偿后的初始相位屏进行插值扩屏，接着再利用多相位屏的方法模拟激光在整个大气湍流中的传输过程。最后根据模拟结果统计分析了轴上光强随时间变化的强度起伏特性、衰落特性以及光束质心的漂移特性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 激光大气传输研究现状

1．3 本文主要工作及内容安排

第二章 大气湍流理论及相位屏模拟技术

2．1 大气湍流

2．1．1 大气湍流的产生

2．1．2 大气湍流的统计特性

2．1．3 大气湍流效应

2．2 相位屏的生成及插值方法

2．2．1 Zernike多项式展开法

2．2．2 FFT功率谱反演法

2．2．3 随机中点位移算法

2．2．4 统计插值方法

2．3 本章小结

第三章 基于多点预测的无限长湍流相位屏的模拟

3．1 基于协方差的初始相位屏产生

3．2 基于多点预测的相位屏插值扩展

3．3 无限长湍流相位屏的产生方法

3．4 数值仿真分析

3．5 本章小结

第四章 地星上行高斯光束大气湍流传输特性

4．1 地星高斯光束强度闪烁理论

4．2 地星上行激光大气湍流传输的模拟技术

4．2．1 多相位屏模拟的基本理论

4．2．2 地星上行激光多相位屏模拟的实现

4．3 上行高斯光束强度起伏仿真及分析

4．3．1 强度闪烁特性

4．3．2 概率密度分布特性

4．4 本章小结

第五章 地星上行激光在大气湍流中传输的时域特性模拟

5．1 超长相位屏的产生方法

5．2 大气湍流相位屏时域特性的模拟

5．3 上行激光湍流效应的时域特性仿真及分析

5．4 本章小结

第六章 总结及展望

6．1 本文工作的总结

6．2 下一步研究工作的展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士研究生期间从事的科研工作