CN108900245B - 贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性的仿真方法及系统 - Google Patents

贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性的仿真方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真方法及系统，包括模拟大气激光通信系统，建立大气激光通信信道模型，其中大气激光通信系统包含发射端、接收端及湍流大气信道，发射端发射贝塞尔高斯光束后，贝塞尔高斯光束在湍流大气信道中传输，接收端接收贝塞尔高斯光束，并输出接收的光斑，通过模拟激光光束通过大气信道的过程，实时分析信道和激光光束参数的变化对传输质量的影响，并依据仿真结果提出改善大气激光通信质量的方法和途径，具有十分重要的现实意义和实用价值。

Description

贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性的仿真方法及系统
技术领域
本发明属于大气激光传输领域，尤其涉及到一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真方法及系统。
背景技术
从1960年激光诞生后，利用激光束作为信息载体实现带宽通信就成为人们追求的目标，以大气为传播介质的激光通信技术受到广泛关注，但受随机大气信道的影响，使大气激光通信系统的可靠性、经济性、传输距离和性能指标未能达到预期目标，所以在地面实现长距离激光通信逐渐降温，随着低损耗光纤的出现，光通信的研发重点向光纤通信转移。近年来，随着超稳激光器、新型光束控制器、高数据率接收器和适于空间应用的先进通信电子设备的研究基本成熟，和人们日渐增长的通信容量和保密性的需求，大气激光通信已经成为下一代通信的发展方向之一，大气光通信再度成为研究热点，并逐渐进入了商用化发展阶段。
大气激光通信随着其卓越的优势越来越受到重视，而其诸多悬而未决的问题仍然有很大的探索和研究空间。大气信道以其随机性和不确定性，其对激光光束的多重影响严重影响通信质量，所以大气随机信道的研究在大气激光通信领域占有十分重要的地位。通常，对大气随机信道的研究主要在实际大气环境中进行现场实验，虽然实验结果能够准确反映当时当地的大气信道特性，但是实验系统复杂，并且不同地区、不同时间、不同气候条件的结果差别很大，因此，从理论上建立大气激光通信信道模型，模拟激光光束通过大气信道的过程，实时分析信道和激光光束参数的变化对传输质量的影响，并依据仿真结果提出改善大气激光通信质量的方法和途径，具有十分重要的现实意义。
由于大气湍流效应对激光传输的影响占据了十分重要的位置，对通信质量的影响最为严重。故建立大气激光传输模型时，主要考虑大气湍流的因素。经过世界各国的研究学者近年来对大气信道的研究，已经总结建立了几何光学近似、Rytov方法、Markov近似、Feyman 图方法等多种理论模型，这些模型都是基于大气湍流的特性和光学传播理论建立的，这些模型尽管能在一定程度上模拟湍流信道，但其模型结构都十分复杂，不便于理解和实际应用。
发明内容
本发明针对模型结构都十分复杂，不便于理解和实际应用的缺点，提出了一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真方法和系统，可以非常直观的分析传输距离、湍流和激光的各项参数对接收光强的影响，包括模拟大气激光通信系统，其中大气激光通信系统包含发射端、接收端及湍流大气信道，发射端发射贝塞尔高斯光束后，贝塞尔高斯光束在湍流大气信道中传输，接收端接收贝塞尔高斯光束，并输出接收的光斑，其特征在于，包含以下步骤：
S1、获取贝塞尔高斯光束的波长λ，贝塞尔函数的阶数n，宽度参数aB，高斯源的束腰半径α0及聚焦参数F0，构建贝塞尔高斯光束模型，发射端发射贝塞尔高斯光束；
S2、根据湍流的折射率结构常数
Figure GDA0002625133220000021
判断湍流强度；当
Figure GDA0002625133220000022
所述湍流为强湍流，当
Figure GDA0002625133220000023
所述湍流为弱湍流；
S3、分别计算强湍流和弱湍流发射端上发射面的光强Is及接收端上的接收面的光强 Ir，合成发射面的光斑和接收面的不存在光强起伏的点形成的光斑；
S4、计算对数光强起伏方差：当光强为弱湍流时，根据
Figure GDA0002625133220000024
得到弱湍流的对数光强起伏方差；当光强为强湍流时，根据
Figure GDA0002625133220000025
得到强湍流的对数光强起伏方差；其中k为波数，L为发射端到接收端的传输距离；
S5、根据湍流的对数光强起伏方差，生成对应的服从均值为0，标准差为
Figure GDA0002625133220000026
的对数正态分布的随机数Srand及Trand，其中随机数Srand和Trand分别表征湍流在空间和时间对光强的影响；
S6、将所述随机数Srand乘以接收端的接收面上每一点的光强Ir，再将得到的光强乘以随机数Trand，模拟贝塞尔高斯光束在湍流大气中信道中传输，获得接收面上存在光强起伏的点在每个时刻的接收光强；
S7、根据获得的接收面上存在光强起伏的点以及不存在光强起伏的点在每个时刻的接收光强，根据获得的接收面上存在光强起伏的点在每个时刻的接收光强，合成得到接收面上的光强起伏点形成的光斑，并输出接收面上光强起伏点随时间变化的动态光斑以及输出接收端中光电检测器的输入光功率。
在本发明的一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真方法中，步骤S1所述贝塞尔高斯光束模型表达式为：
us(s,φs)＝Jn(aBs)exp(-kαs2)exp(-jnφs)，其中(s,φs)为极坐标，n为贝塞尔项中Jn的阶数，aB为宽度参数，k＝2π/λ是波数，λ为波长，
Figure GDA0002625133220000031
α0为高斯源的束腰半径，F0为聚焦参数，
Figure GDA0002625133220000032
在本发明的一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真方法中，步骤S3中发射面光强Is表达式为：
Figure GDA0002625133220000033
其中，
Figure GDA0002625133220000034
为
Figure GDA0002625133220000035
的共轭。
在本发明的一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真方法中，步骤S3中接收面光强Ir的计算表达式为：
Figure GDA0002625133220000036
其中，(r,φr)为点在接收面的极坐标，b＝k/(2L)，ρ0为球面波在湍流大气传播的相干长度，
Figure GDA0002625133220000037
为折射率结构常数。
优选的，本发明还提供了一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真系统，包括模拟大气激光通信系统，其中大气激光通信系统包含发射端、接收端及湍流大气信道，发射端发射贝塞尔高斯光束后，贝塞尔高斯光束在湍流大气信道中传输，接收端接收贝塞尔高斯光束，并输出接收的光斑，包含以下子模块：
参数获取模块，用于获取贝塞尔高斯光束的波长λ，贝塞尔函数的阶数n，宽度参数aB，高斯源的束腰半径α0及聚焦参数F0，构建贝塞尔高斯光束模型，发射端发射贝塞尔高斯光束；
湍流强度判断模块，用于根据湍流的折射率结构常数
Figure GDA0002625133220000038
判断湍流强度；当
Figure GDA0002625133220000041
所述湍流为强湍流，当
Figure GDA0002625133220000042
所述湍流为弱湍流；
光强计算模块，用于分别计算强湍流和弱湍流发射端上发射面的光强Is及接收端上的接收面的光强Ir，合成发射面的光斑和接收面的不存在光强起伏的点形成的光斑；
对数光强起伏方差计算模块，用于计算对数光强起伏方差：当光强为弱湍流时，根据
Figure GDA0002625133220000043
得到弱湍流的对数光强起伏方差；当光强为强湍流时，根据
Figure GDA0002625133220000044
得到强湍流的对数光强起伏方差；其中k为波数，L为发射端到接收端的传输距离；
随机数生成模块，用于根据湍流的对数光强起伏方差，生成对应的服从均值为0，标准差为
Figure GDA0002625133220000045
的对数正态分布的随机数Srand及Trand，其中随机数Srand和Trand分别表征湍流在空间和时间对光强的影响；
接收面光强获取模块，用于将所述随机数Srand乘以接收端的接收面上每一点的光强Ir，再将得到的光强乘以随机数Trand，模拟贝塞尔高斯光束在湍流大气中信道中传输，获得接收面上存在光强起伏的点在每个时刻的接收光强；
结果输出模块，用于根据获得的接收面上存在光强起伏的点在每个时刻的接收光强，合成得到接收面上的光强起伏点形成的光斑，并输出接收面上光强起伏点随时间变化的动态光斑以及输出接收端中光电检测器的输入光功率。
在本发明的一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真系统中，参数获取模块中所述贝塞尔高斯光束模型表达式为：
us(s,φs)＝Jn(aBs)exp(-kαs2)exp(-jnφs)，其中(s,φs)为极坐标，n为贝塞尔项中Jn的阶数，aB为宽度参数，k＝2π/λ是波数，λ为波长，
Figure GDA0002625133220000046
α0为高斯源的束腰半径，F0为聚焦参数，
Figure GDA0002625133220000047
在本发明的一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真系统中，光强计算模块中发射面光强Is表达式为：
Figure GDA0002625133220000048
其中，
Figure GDA0002625133220000049
为
Figure GDA00026251332200000410
的共轭。
在本发明的一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真系统中，光强计算模块中接收面光强Ir的计算表达式为：
Figure GDA0002625133220000051
其中，(r,φr)为点在接收面的极坐标，b＝k/(2L)，ρ0为球面波在湍流大气传播的相干长度，
Figure GDA0002625133220000052
为折射率结构常数。
本发明模拟了贝塞尔-高斯光束在大气湍流中的传输特性，把激光在大气信道中的传输过程近似为光在湍流介质中的衍射过程，建立大气激光传输模型，在时间和空间上分析了大气随机信道参数的变化对接收光强的影响，根据此模型，进行仿真并实时输出显示接收光强的变化，本发明可以为大气信道的建模方法提供了很好的参考，具有一定的实用价值和参考意义。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明优选实施例方法流程图；
图2是本发明实施例仿真验证软件界面图；
图3(a)是在无光强闪烁下光束在发射面不同阶数下(n＝0)的仿真结果图；
图3(b)是在无光强闪烁下光束在发射面不同阶数下(n＝1)的仿真结果图；
图3(c)是在无光强闪烁下光束在发射面不同阶数下(n＝2)的仿真结果图；
图3(d)是在无光强闪烁下光束在发射面不同阶数下(n＝5)的仿真结果图；
图4(a)是在无光强闪烁下光束在发射面不同宽度参数下(aB＝5)的仿真结果图；
图4(b)是在无光强闪烁下光束在发射面不同宽度参数下(aB＝100)的仿真结果图；
图4(c)是在无光强闪烁下光束在发射面不同宽度参数下(aB＝200)的仿真结果图；
图4(d)是在无光强闪烁下光束在发射面不同宽度参数下(aB＝400)的仿真结果图；
图5(a)是在无光强闪烁下光束在接收面在不同的传输距离下(L＝0)的仿真结果图；
图5(b)是在无光强闪烁下光束在接收面在不同的传输距离下(L＝400)的仿真结果图；
图5(c)是在无光强闪烁下光束在接收面在不同的传输距离下(L＝1000)的仿真结果图；
图5(d)是在无光强闪烁下光束在接收面在不同的传输距离下(L＝5000)的仿真结果图；
图6(a)是在无光强闪烁下光束在接收面在不同阶数下(n＝0)的仿真结果图；
图6(b)是在无光强闪烁下光束在接收面在不同阶数下(n＝1)的仿真结果图；
图6(c)是在无光强闪烁下光束在接收面在不同阶数下(n＝2)的仿真结果图；
图6(d)是在无光强闪烁下光束在接收面在不同阶数下(n＝5)的仿真结果图；
图7(a)是在无光强闪烁下光束在接收面在不同折射率结构常数下
Figure GDA0002625133220000061
的仿真结果图；
图7(b)是在无光强闪烁下光束在接收面在不同折射率结构常数下
Figure GDA0002625133220000062
的仿真结果图；
图7(c)是在无光强闪烁下光束在接收面在不同折射率结构常数下
Figure GDA0002625133220000063
的仿真结果图；
图7(d)是在无光强闪烁下光束在接收面在不同折射率结构常数下
Figure GDA0002625133220000064
的仿真结果图；
图8(a)是在无光强闪烁下光束在接收面在不同波长下(λ＝800)的仿真结果图；
图8(b)是在无光强闪烁下光束在接收面在不同波长下(λ＝1060)的仿真结果图；
图8(c)是在无光强闪烁下光束在接收面在不同波长下(λ＝1550)的仿真结果图；
图9(a)是存在光强闪烁下光束在接收面在不同波长下(λ＝800)的仿真结果图；
图9(b)是存在光强闪烁下光束在接收面在不同波长下(λ＝1060)的仿真结果图；
图9(c)是存在光强闪烁下光束在接收面在不同波长下(λ＝1550)的仿真结果图；
图10(a)是存在光强闪烁下光束在接收面在不同折射率结构常数下
Figure GDA0002625133220000065
的仿真结果图；
图10(b)是存在光强闪烁下光束在接收面在不同折射率结构常数下
Figure GDA0002625133220000066
的仿真结果图；
图10(c)是存在光强闪烁下光束在接收面在不同折射率结构常数下
Figure GDA0002625133220000067
的仿真结果图；
图10(d)是存在光强闪烁下光束在接收面在不同折射率结构常数下
Figure GDA0002625133220000068
的仿真结果图；
图11(a)是存在光强闪烁下光束在接收面在不同的传输距离下(L＝0)的仿真结果图；
图11(b)是存在光强闪烁下光束在接收面在不同的传输距离下(L＝400)的仿真结果图；
图11(c)是存在光强闪烁下光束在接收面在不同的传输距离下(L＝1000)的仿真结果图；
图11(d)是存在光强闪烁下光束在接收面在不同的传输距离下(L＝5000)的仿真结果图。
具体实施方式
为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明中的贝塞尔光束是基于亥姆霍兹方程的一类有效解决方案，以无衍射的特性被人所关注。因为贝塞尔光束横向的光强分布不变，其被认为传输任意距离光斑不会扩张。然而，实现这种特性的前提是有一个无限大功率的光源，需要通过其他手段实现。于是高斯光束被选择用来给贝塞尔项提供有限的能量来确保其横向的光强分布不变，贝塞尔-高斯光束由此产生。贝塞尔-高斯光束具有有限的能量，是物理上可以实现的无衍射光束，不仅可以在有限的传播范围内保持其横向的光强分布不变，而且当其受到干扰时还具有自恢复性能，故使用贝塞尔-高斯光束进行仿真，并研究其在大气湍流信道传输特性。
在极坐标(s,φs)下，高阶贝塞尔-高斯光束表达式为：
us(s,φs)＝Jn(aBs)exp(-kαs2)exp(-jnφs) (1)
式中n为贝塞尔项中Jn的阶数，aB为宽度参数，k＝2π/λ是波数，λ为波长，
Figure GDA0002625133220000071
α0为高斯源的束腰半径，F0为聚焦参数，
Figure GDA0002625133220000072
可以得到发射面光强为：
Figure GDA0002625133220000077
式中
Figure GDA0002625133220000073
为
Figure GDA0002625133220000074
的共轭。
由广义惠更斯-菲涅耳原理，并在接收面转换为其极坐标(r,φr)，考虑发射面到接收面的传输距离为L，则接收面光强为：
Figure GDA0002625133220000075
Figure GDA0002625133220000076
式中
Figure GDA0002625133220000081
Figure GDA0002625133220000082
为折射率结构常数。
在式(3)第一个指数代表了衍射现象对光束的影响，第二个指数代表了湍流对光束的影响，ρ0为球面波在湍流大气传播的相干长度，根据柯尔莫哥洛夫谱和二次近似，给定为
Figure GDA0002625133220000083
Figure GDA0002625133220000084
反应了湍流的强度。
为了简化式(3)，利用下面的方程：
Figure GDA0002625133220000085
将式(4)代入式(3)，可以消除φ1s项。为了消除s1项，利用下式：
Figure GDA0002625133220000086
通过这两步，式(3)被简化为：
Figure GDA0002625133220000087
式中b＝k/(2L)。
由于在光场模型建立中，接收面光强表达式(3)已加入湍流的影响因子
Figure GDA0002625133220000088
湍流对光束的部分影响已在光场模型中体现，本发明主要讨论光强闪烁的对接受光强的影响。
在关于光强闪烁的分析中，已知光束强度分布随时间和空间的随机变化。因此在弱湍流区，接收面的空间分布上，光强I(Q)起伏服从对数正态分布，并且其随时间的起伏也服从对数正态分布。在强湍流区，光强I(Q)起伏服从对数正态调制负指数分布，并且其随时间的起伏也服从对数正态调制负指数分布。
Figure GDA0002625133220000091
分别给出了弱湍流和强湍流下的对数强度方差。需要指出的是，接收光强闪烁通常被看成是一种乘性噪声，因此只需要将均值为1的服从对数正态分布的一组随机数分别在乘以收面空间上每一点的光强，并将同样的随机数分别乘以不同时刻的接收面上的光强，就可以非常直观的描述弱湍流下接收光强的闪烁，强湍流下同理。
本发明的方法流程图见图1，包括模拟大气激光通信系统，其中大气激光通信系统包含发射端、接收端及湍流大气信道，发射端发射贝塞尔高斯光束后，贝塞尔高斯光束在湍流大气信道中传输，接收端接收贝塞尔高斯光束，并输出接收的光斑，其特征在于，包含以下步骤：
S1、获取贝塞尔高斯光束的波长λ，贝塞尔函数的阶数n，宽度参数aB，高斯源的束腰半径α0及聚焦参数F0，构建贝塞尔高斯光束模型，发射端发射贝塞尔高斯光束；
S2、根据湍流的折射率结构常数
Figure GDA0002625133220000092
判断湍流强度；当
Figure GDA0002625133220000093
所述湍流为强湍流，当
Figure GDA0002625133220000094
所述湍流为弱湍流；
S3、分别计算强湍流和弱湍流发射端上发射面的光强Is及接收端上的接收面的光强 Ir，合成发射面的光斑及接收面上不存在光强起伏的的点的光斑；
S4、计算对数光强起伏方差：当光强为弱湍流时，根据
Figure GDA0002625133220000095
得到弱湍流的对数光强起伏方差；当光强为强湍流时，根据
Figure GDA0002625133220000096
得到强湍流的对数光强起伏方差；其中k为波数，L为发射端到接收端的传输距离；
S5、根据湍流的对数光强起伏方差，生成对应的服从均值为0，标准差为
Figure GDA0002625133220000097
的对数正态分布的随机数Srand及Trand，其中随机数Srand和Trand分别表征湍流在空间和时间对光强的影响；
S6、将所述随机数Srand乘以接收端的接收面上每一点的光强Ir，再将得到的光强乘以随机数Trand，模拟贝塞尔高斯光束在湍流大气中信道中传输，获得接收面上存在光强起伏的点在每个时刻的接收光强；
S7、根据获得的接收面上存在光强起伏的点在每个时刻的接收光强，合成得到接收面上的光强起伏点形成的光斑，并输出接收面上光强起伏点随时间变化的动态光斑以及输出接收端中光电检测器的输入光功率。
其中一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真方法，步骤S1所述贝塞尔高斯光束模型表达式为：
us(s,φs)＝Jn(aBs)exp(-kαs2)exp(-jnφs)，其中(s,φs)为极坐标，n为贝塞尔项中Jn的阶数，aB为宽度参数，k＝2π/λ是波数，λ为波长，
Figure GDA0002625133220000101
α0为高斯源的束腰半径，F0为聚焦参数，
Figure GDA0002625133220000102
一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真方法，步骤S3中发射面光强Is表达式为：
Figure GDA0002625133220000103
其中，
Figure GDA0002625133220000104
为
Figure GDA0002625133220000105
的共轭。
一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真方法，步骤S3中接收面光强Ir的计算表达式为：
Figure GDA0002625133220000106
其中，(r,φr)为点在接收面的极坐标，b＝k/(2L)，ρ0为球面波在湍流大气传播的相干长度，
Figure GDA0002625133220000107
为折射率结构常数。
本发明推导了贝塞尔-高斯光束接收光强的计算公式，并分析了激光在大气中接收光强闪烁的描述，在此基础上本发明实施例使用MATLABGUI组件，建立了大气激光传输模型的仿真界面程序，仿真程序界面见图2，将对建立的大气激光传输模型以及仿真程序进行结果分析，验证仿真结果与理论相符合的程度。改变输入的折射率结构常数
Figure GDA0002625133220000108
激光束的波长λ，传输距离L，贝塞尔函数的阶数n，宽度参数aB这五个参数，并采用控制变量法，在只改变其中一个参数，固定其他参数的情况下，对仿真结果进行对比分析。仿真结果见图3(a)至图11(d)；
其中图3(a)、3(b)、3(c)及3(d)是在无光强闪烁下光束在发射面设置 ab＝200m-1,α0＝2.0cm，λ＝1550nm，n分别取0,1,2,5的仿真结果图；
图4(a)、4(b)、4(c)及4(d)是在无光强闪烁下光束在发射面，设置 n＝1,α0＝2.0cm,aB分别取5,100,200,400m-1，λ＝1550nm,的仿真结果图；
图5(a)、5(b)、5(c)及5(d)是在无光强闪烁下光束在接收面，设置 n＝0,aB＝250m-1,α0＝2cm,
Figure GDA0002625133220000111
L分别取0、400、1000、5000结果的仿真结果图；
图6(a)、6(b)、6(c)及6(d)是在无光强闪烁下光束在接收面，设置 aB＝100m-1,α0＝2.0cm,
Figure GDA0002625133220000112
L＝1km,λ＝1550nm，n取0、1、2及5情况下的仿真结果图；
图7(a)是在无光强闪烁下光束在接收面设置n＝2,aB＝200m-1,α0＝2.0cm,L＝1km，λ＝1550nm，
Figure GDA0002625133220000117
分别取1×10-15,1×10-141×10-13,1×10-12m-2/3的仿真结果图；
图8(a)、8(b)、8(c)在无光强闪烁下光束在接收面设置 n＝2,aB＝200m-1,α0＝2cm,L＝1km,λ分别取800,1060，1550nm下的仿真结果图；
图9(a)、9(b)及9(c)是存在光强闪烁下光束在不同波长下光束在接收面，设置 n＝2,aB＝200m-1,α0＝2cm,L＝1km，
Figure GDA0002625133220000118
λ分别取800,1060,1550nm的仿真结果图；
图10(a)、10(b)、10(c)及10(d)是存在光强闪烁下光束在接收面，设置 n＝2,aB＝200m-1,α0＝2.0cm,L＝1km，λ＝1550nm
Figure GDA0002625133220000113
分别取1×10-15,1×10-14， 1×10-13,1×10-12m-2/3的仿真结果图；
图11(a)、11(b)、11(c)及11(d)是存在光强闪烁下光束在接收面设置 n＝0,aB＝250m-1,α0＝2cm,
Figure GDA0002625133220000114
L分别取0,0.4,1,5km,λ＝1550nm的仿真结果图；
通过图3(a)至图11(d)的仿真结果图可以得出以下结论：
1、阶数n会影响光束中的贝塞尔部分，使光束的轮廓和外环改变。
2、宽度参数aB会影响光束中高斯部分和贝塞尔部分的所占权重，当aB增大，光束将偏向贝塞尔光束的外形和特性，反之则偏向高斯光束。
3、传输距离L和折射率结构常数
Figure GDA0002625133220000115
的增大会使光强闪烁变得更剧烈，两者都对光束轮廓和形状有影响。
4、波长λ在弱湍流下，随着其增大会改善光强起伏。
5、传输距离L、折射率结构常数
Figure GDA0002625133220000116
和波长λ共同作用会影响光束中的虚数项，使光束表现出修正贝塞尔-高斯光束的特性。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真方法，包括模拟大气激光通信系统，其中大气激光通信系统包含发射端、接收端及湍流大气信道，发射端发射贝塞尔高斯光束后，贝塞尔高斯光束在湍流大气信道中传输，接收端接收贝塞尔高斯光束，并输出接收的光斑，其特征在于，包含以下步骤：
S1、获取贝塞尔高斯光束的波长λ，贝塞尔函数的阶数n，宽度参数aB，高斯源的束腰半径α0及聚焦参数F0，构建贝塞尔高斯光束模型，发射端发射贝塞尔高斯光束；
S2、根据湍流的折射率结构常数
Figure FDA0002625133210000011
判断湍流强度；当
Figure FDA0002625133210000012
所述湍流为强湍流，当
Figure FDA0002625133210000018
所述湍流为弱湍流；
S3、分别计算强湍流和弱湍流发射端上发射面的光强Is及接收端上的接收面的光强Ir，合成发射面的光斑和接收面的不存在光强起伏的点形成的光斑；
S4、计算对数光强起伏方差：当光强为弱湍流时，根据
Figure FDA0002625133210000013
得到弱湍流的对数光强起伏方差；当光强为强湍流时，根据
Figure FDA0002625133210000014
得到强湍流的对数光强起伏方差；其中k为波数，L为发射端到接收端的传输距离；
S5、根据湍流的对数光强起伏方差，生成对应的服从均值为0，标准差为
Figure FDA0002625133210000015
的对数正态分布的随机数Srand及Trand，其中随机数Srand和Trand分别表征湍流在空间和时间对光强的影响；
S6、将所述随机数Srand乘以接收端的接收面上每一点的光强Ir，再将得到的光强乘以随机数Trand，模拟贝塞尔高斯光束在湍流大气中信道中传输，获得接收面上存在光强起伏的点在每个时刻的接收光强；
S7、根据获得的接收面上存在光强起伏的点在每个时刻的接收光强，合成得到接收面上的光强起伏点形成的光斑，并输出接收面上光强起伏点随时间变化的动态光斑以及输出接收端中光电检测器的输入光功率。
2.根据权利要求1所述一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真方法，其特征在于，步骤S1所述贝塞尔高斯光束模型表达式为：
us(s,φs)＝Jn(aBs)exp(-kαs2)exp(-jnφs)，其中(s,φs)为极坐标，n为贝塞尔项中Jn的阶数，aB为宽度参数，k＝2π/λ是波数，λ为波长，
Figure FDA0002625133210000016
α0为高斯源的束腰半径，F0为聚焦参数，
Figure FDA0002625133210000017
3.根据权利要求2所述一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真方法，其特征在于，步骤S3中发射面光强Is表达式为：
Figure FDA0002625133210000021
其中，
Figure FDA0002625133210000022
为
Figure FDA0002625133210000023
的共轭。
4.根据权利要求2所述一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真方法，其特征在于，步骤S3中接收面光强Ir的计算表达式为：
Figure FDA0002625133210000024
其中，(r,φr)为点在接收面的极坐标，b＝k/(2L)，ρ0为球面波在湍流大气传播的相干长度，
Figure FDA0002625133210000025
为折射率结构常数。
5.一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真系统，包括模拟大气激光通信系统，其中大气激光通信系统包含发射端、接收端及湍流大气信道，发射端发射贝塞尔高斯光束后，贝塞尔高斯光束在湍流大气信道中传输，接收端接收贝塞尔高斯光束，并输出接收的光斑，其特征在于，包含以下子模块：
参数获取模块，用于获取贝塞尔高斯光束的波长λ，贝塞尔函数的阶数n，宽度参数aB，高斯源的束腰半径α0及聚焦参数F0，构建贝塞尔高斯光束模型，发射端发射贝塞尔高斯光束；
湍流强度判断模块，用于根据湍流的折射率结构常数
Figure FDA0002625133210000026
判断湍流强度；当
Figure FDA0002625133210000027
所述湍流为强湍流，当
Figure FDA0002625133210000028
所述湍流为弱湍流；
光强计算模块，用于分别计算强湍流和弱湍流发射端上发射面的光强Is及接收端上的接收面的光强Ir，合成发射面的光斑和接收面的不存在光强起伏的点形成的光斑；
对数光强起伏方差计算模块，用于计算对数光强起伏方差：当光强为弱湍流时，根据
Figure FDA0002625133210000031
得到弱湍流的对数光强起伏方差；当光强为强湍流时，根据
Figure FDA0002625133210000032
得到强湍流的对数光强起伏方差；其中k为波数，L为发射端到接收端的传输距离；
随机数生成模块，用于根据湍流的对数光强起伏方差，生成对应的服从均值为0，标准差为
Figure FDA0002625133210000033
的对数正态分布的随机数Srand及Trand，其中随机数Srand和Trand分别表征湍流在空间和时间对光强的影响；
接收面光强获取模块，用于将所述随机数Srand乘以接收端的接收面上每一点的光强Ir，再将得到的光强乘以随机数Trand，模拟贝塞尔高斯光束在湍流大气中信道中传输，获得接收面上存在光强起伏的点在每个时刻的接收光强；
结果输出模块，用于根据获得的接收面上存在光强起伏的点在每个时刻的接收光强，合成得到接收面上的光强起伏点形成的光斑，并输出接收面上光强起伏点随时间变化的动态光斑以及输出接收端中光电检测器的输入光功率。
6.根据权利要求5所述一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真系统，其特征在于，参数获取模块中所述贝塞尔高斯光束模型表达式为：
us(s,φs)＝Jn(aBs)exp(-kαs2)exp(-jnφs)，其中(s,φs)为极坐标，n为贝塞尔项中Jn的阶数，aB为宽度参数，k＝2π/λ是波数，λ为波长，
Figure FDA0002625133210000034
α0为高斯源的束腰半径，F0为聚焦参数，
Figure FDA0002625133210000035
7.根据权利要求6所述一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真系统，其特征在于，光强计算模块中发射面光强Is表达式为：
Figure FDA0002625133210000036
其中，
Figure FDA0002625133210000037
为
Figure FDA0002625133210000038
的共轭。
8.根据权利要求6所述一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真系统，其特征在于，光强计算模块中接收面光强Ir的计算表达式为：
Figure FDA0002625133210000041
其中，(r,φr)为点在接收面的极坐标，b＝k/(2L)，ρ0为球面波在湍流大气传播的相干长度，
Figure FDA0002625133210000042
为折射率结构常数。
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