[發明專利]貝塞爾高斯光束在湍流大氣中傳輸特性的仿真方法及系統

有效

• 申請號: 201810705977.1
• 申請日: 2018-06-26
• 公開（公告）號: CN108900245B
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 王瑾;曾福江;梁晴晴;吳讓仲;張曉鋒
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: H04B10/079
• 分類號: H04B10/079;H04B17/391
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 曹雄

本發明提供了一種貝塞爾高斯光束在湍流大氣中傳輸特性仿真方法及系統，包括模擬大氣激光通信系統，建立大氣激光通信信道模型，其中大氣激光通信系統包含發射端、接收端及湍流大氣信道，發射端發射貝塞爾高斯光束后，貝塞爾高斯光束在湍流大氣信道中傳輸，接收端接收貝塞爾高斯光束，并輸出接收的光斑，通過模擬激光光束通過大氣信道的過程，實時分析信道和激光光束參數的變化對傳輸質量的影響，并依據仿真結果提出改善大氣激光通信質量的方法和途徑，具有十分重要的現實意義和實用價值。

技術領域

本發明屬于大氣激光傳輸領域，尤其涉及到一種貝塞爾高斯光束在湍流大氣中傳輸特性仿真方法及系統。

背景技術

從1960年激光誕生后，利用激光束作為信息載體實現帶寬通信就成為人們追求的目標，以大氣為傳播介質的激光通信技術受到廣泛關注，但受隨機大氣信道的影響，使大氣激光通信系統的可靠性、經濟性、傳輸距離和性能指標未能達到預期目標，所以在地面實現長距離激光通信逐漸降溫，隨著低損耗光纖的出現，光通信的研發重點向光纖通信轉移。近年來，隨著超穩激光器、新型光束控制器、高數據率接收器和適于空間應用的先進通信電子設備的研究基本成熟，和人們日漸增長的通信容量和保密性的需求，大氣激光通信已經成為下一代通信的發展方向之一，大氣光通信再度成為研究熱點，并逐漸進入了商用化發展階段。

大氣激光通信隨著其卓越的優勢越來越受到重視，而其諸多懸而未決的問題仍然有很大的探索和研究空間。大氣信道以其隨機性和不確定性，其對激光光束的多重影響嚴重影響通信質量，所以大氣隨機信道的研究在大氣激光通信領域占有十分重要的地位。通常，對大氣隨機信道的研究主要在實際大氣環境中進行現場實驗，雖然實驗結果能夠準確反映當時當地的大氣信道特性，但是實驗系統復雜，并且不同地區、不同時間、不同氣候條件的結果差別很大，因此，從理論上建立大氣激光通信信道模型，模擬激光光束通過大氣信道的過程，實時分析信道和激光光束參數的變化對傳輸質量的影響，并依據仿真結果提出改善大氣激光通信質量的方法和途徑，具有十分重要的現實意義。

由于大氣湍流效應對激光傳輸的影響占據了十分重要的位置，對通信質量的影響最為嚴重。故建立大氣激光傳輸模型時，主要考慮大氣湍流的因素。經過世界各國的研究學者近年來對大氣信道的研究，已經總結建立了幾何光學近似、Rytov方法、Markov近似、Feyman 圖方法等多種理論模型，這些模型都是基于大氣湍流的特性和光學傳播理論建立的，這些模型盡管能在一定程度上模擬湍流信道，但其模型結構都十分復雜，不便于理解和實際應用。

發明內容

本發明針對模型結構都十分復雜，不便于理解和實際應用的缺點，提出了一種貝塞爾高斯光束在湍流大氣中傳輸特性仿真方法和系統，可以非常直觀的分析傳輸距離、湍流和激光的各項參數對接收光強的影響，包括模擬大氣激光通信系統，其中大氣激光通信系統包含發射端、接收端及湍流大氣信道，發射端發射貝塞爾高斯光束后，貝塞爾高斯光束在湍流大氣信道中傳輸，接收端接收貝塞爾高斯光束，并輸出接收的光斑，其特征在于，包含以下步驟：

S1、獲取貝塞爾高斯光束的波長λ，貝塞爾函數的階數n，寬度參數a_B，高斯源的束腰半徑α₀及聚焦參數F₀，構建貝塞爾高斯光束模型，發射端發射貝塞爾高斯光束；

S2、根據湍流的折射率結構常數判斷湍流強度；當所述湍流為強湍流，當所述湍流為弱湍流；

S3、分別計算強湍流和弱湍流發射端上發射面的光強Is及接收端上的接收面的光強 Ir，合成發射面的光斑和接收面的不存在光強起伏的點形成的光斑；

S4、計算對數光強起伏方差：當光強為弱湍流時，根據得到弱湍流的對數光強起伏方差；當光強為強湍流時，根據得到強湍流的對數光強起伏方差；其中k為波數，L為發射端到接收端的傳輸距離；