引用本文:
丛明慧,倪小龙,刘智,等. 激光大气传输相位屏的时间相关性测量[J]. 光通信技术,2020,44(10):28-32.
丛明慧1,倪小龙2,3,刘 智1,2*,张小琪1,姚海峰2
(1.长春理工大学 电子与信息工程学院,长春 130000; 2.长春理工大学 空间光电技术研究所,长春 130000;3.长春光客科技有限公司,长春 130000)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:为了提高动态大气湍流模拟相位屏时间上的模拟精度,提出了利用时间协方差测量时间相关性的方法,在基于液晶空间光调制器(LC-SLM)的大气湍流相位屏模拟方法、时间特性等方面开展了研究。采用功率谱反演法生成湍流模拟相位屏,给出了时间变量及时间功率谱的计算方法,搭建了基于LC-SLM的大气湍流相位屏模拟实验系统,并对上述方法进行了实验验证。实验结果表明:激光畸变损失情况下,时间协方差的计算误差可控制在8.0%左右,且该模拟方法下相位屏的时间模拟精度较好。
关键词:大气湍流;时间相关性;时间协方差;功率谱反演法;相位屏
中图分类号:TN929.12 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2020)10-0028-05
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2020.10.028
0 引言
激光具有强度、单色性和相干性高的性质,其在大气传输过程中会受湍流效应影响[1-2],导致大气激光通信等应用系统的性能受到严重影响。迄今为止,大部分的理论研究均是从空间统计的角度对大气湍流效应进行描述,很少从时间相关性的角度对大气湍流效应及其对空间激光通信系统的影响进行分析。在大气湍流环境激光通信链路特性的仿真分析与实验验证中,缺乏时间相关性信息会导致仿真过程的不完整和测试结果的偏差。因此,湍流模拟的时间相关性分析具有重要意义。
在湍流模拟的时间相关性分析方面,国内外研究人员做了很多工作。Glindemann A等人[3]考虑大气湍流的时间相关性,调整了子相位屏的空间间隔,并预测新的子屏,使子屏的重复性有所降低,但其对时间相关性的分析过程较为复杂;Dainty C[4]将相位波前展开成一系列傅里叶变换的叠加,但在实验中无法实现时变仿真;卫沛锋等人[5]给出了时域上湍流相位屏的刷新频率、平滑帧数与风速的关系,而对于已有相位屏具有一定的随机性,所以得到的相位屏整体的动态特性仍需评估;李盾等人[6]研究了相位屏旋转的长时间特性,其可模拟动态大气湍流,但需要深度研究模拟精度和时间特性。谭涛等人[7]测量了旋转相位屏模拟的大气湍流的时间和空间特性,但只对泽尼克(Zernike)法生成的相位屏进行了实验,并没有分析功率谱反演法。目前,很多研究人员已经将数值模拟技术应用到湍流模拟的时间相关性分析中[8],但高斯光束在大气湍流中传播的时间特性分析较少。
本文采用功率谱反演法模拟大气湍流,将数值模拟技术的适用性扩展到近似高斯光束在大气中传播的时间分析,并研究从空间到时间的转换关系和时间功率谱的计算方法。
4 结束语
本文采用功率谱反演法生成相位母屏,并模拟了激光在弱和中强2种强度湍流下的传输过程,测试、分析并验证了基于LC-SLM的大气湍流模拟过程中时间相关性参数的变化规律。结果表明:其相位屏的时间模拟精度较好,且在激光畸变损失的情况下,时间协方差的计算误差可以控制在8.0%左右;弱湍流情况下,实验结果和理论值大致相符,光束漂移的影响较小;中强湍流情况下,光束漂移的影响最大,但实验曲线整体趋势符合真实大气湍流情况。因此,本文所用旋转截取相位屏的方法在时间特性方面符合Kolmogorov湍流统计理论,并且采用时间协方差法能够很好地对时间相关性进行分析,为分析湍流相位屏模拟精度提供了新思路。