CN113686817B - 一种海洋上空环境下的非均匀路径大气相位屏分布法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海洋上空环境下的非均匀路径大气相位屏分布法，包括利用测量数据得到海洋上空环境下的大气湍流廓线，即大气折射率结构常数模型；基于海洋上空环境下的大气折射率结构常数模型，采用等Rytov指数间隔与均匀间隔混合法，得到非均匀大气湍流相位屏的分层标准，实现对不同湍流起伏区域的充分采样。本方法提升了激光通信系统的链路完整性和可靠性；采用等Rytov指数间隔与均匀间隔混合的方法对相位屏进行合理分层，获取湍流结构常数模型具有多样性，可通过实测数据、引用现有数据等多种方法的一种获得；同时，根据传输介质折射率起伏情况决定分层间隔，这对于精确建立完整的通信链路，并对其进行合理化建模有着关键作用。

Description

一种海洋上空环境下的非均匀路径大气相位屏分布法
技术领域
本发明涉及海洋、大气光通信信道研究领域，具体是一种海洋上空环境下的非均匀路径大气相位屏分布法。
背景技术
实际大气信道环境中，大气湍流是影响光通信系统性能指标的重要因素之一。光束在大气中传输时受到湍流的影响发生相位畸变，从而引起光强起伏、光斑漂移和光束扩展等湍流效应，严重影响通信系统的性能。目前的研究结果表明，传输光束波前的相位起伏可以表征湍流的性质，因此，将传输路径上的大气湍流等效为相位屏，多层相位屏模拟大气湍流中的光传播是将连续的随机介质用一系列间隔为Δz的相位屏来代替，光束经多层相位屏后最终到达终点接收面，那么光斑的变化情况就反映了光束在湍流介质中的传输特性。
对于光束在非均匀湍流路径中的传播，湍流强度在垂直链路具有明显分层结构且随高度剧烈变化，如何在垂直方向上合理设置相位屏位置是当前关键问题之一。当前近地面水平链路的相关理论和技术研究工作已经比较完善，对湍流效应的理解和运用也更多地基于内陆地区水平链路的研究结果。与陆地大气光学湍流测量相比，海洋环境下复杂的湍流测量技术导致其上空相关气象数据获取十分困难，准确估算海洋环境下的大气光学湍流强度也受到了很大限制。同时，由于垂直光链路本身具有较高的复杂性，导致星地链路、空地链路以及跨介质海洋大气上行通信链路等的研究比较少。垂直链路区别于水平链路的最大特点是表征湍流强度的折射率结构常数随高度变化，而且在整个传播路径上分布极不对称，这不仅给垂直链路的研究增加了难度，也造成垂直链路的光束传输特性与水平链路有很大差异。为了更准确地反映湍流的实际特征，在非均匀随机介质光传播的数值模拟中，设置非均匀间隔的相位屏以真实反映传播路径上的随机介质起伏状况至关重要。对于光传播的随机介质，在折射率起伏均匀的情况下，可以设置等间隔相位屏；但在折射率起伏非均匀的路径中，若仍采用等间隔的相位屏分布会造成强起伏区不能被充分采样，弱起伏区过度采样的问题。这时数值模拟就不能真实地反映光束的传播过程，还会由于设置相位屏数目的主观因素增加仿真结果的不确定性以及不必要的计算量。因此，在随机起伏的非均匀湍流介质光传播模拟中，根据大气湍流强弱大小设置不同间隔相位屏及结合光传播距离设置相位屏数目至关重要。
发明内容
在非均匀湍流介质光传播的数值模拟过程中，为了减小垂直链路相位屏间湍流强度均匀假设时所引起的模拟误差以及构建海洋应用场景下所需要的大气光学湍流模式，本发明依据海洋上空的气象观测数据得到海洋环境下的大气折射率结构常数模型，提出了一种基于海洋大气混合环境下的垂直链路大气相位屏分布方案，提供一种海洋上空环境下的非均匀路径大气相位屏分布法，以真实地反映传播路径上的大气湍流起伏状况。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种海洋上空环境下的非均匀路径大气相位屏分布法，包括如下步骤：
S1，利用测量数据得到海洋上空环境下的大气湍流廓线，即大气折射率结构常数模型；
S2，基于海洋上空环境下的大气折射率结构常数模型，采用等Rytov指数间隔与均匀间隔混合法，得到非均匀大气湍流相位屏的分层标准，实现对不同湍流起伏区域的充分采样。
S3，建立基于海洋上空环境下的非均匀大气湍流传播路径的光传输模型。
进一步地，S1中，海洋上空环境下的大气湍流廓线根据实验数据分析或者结合高空风速、气温气象参数与大气折射率结构常数
Figure BDA0003228017410000021
建立联系得到湍流廓线，相关实验数据以及气象参数不限制区域即不限制海域或内陆，不限制时间，不限制高度，不限制获取方式。
进一步地，用温度脉动仪测量
Figure BDA0003228017410000022
在可见光和近红外波段，大气折射率起伏主要与由温度起伏有关，通常不考虑湿度起伏的影响，因此
Figure BDA0003228017410000023
可直接由温度结构常数
Figure BDA0003228017410000024
得到：
Figure BDA0003228017410000025
式中，P表示大气压，单位为kPa；T表示温度，单位为K；在湍流充分发展的条件下，假设湍流场满足Kolmogorov局地均匀各向同性理论，则在惯性区内温度结构常数满足：
Figure BDA0003228017410000026
式中，r为两点间的距离，T(x)表示高度x处的气温，T(x+r)表示高度x+r处的气温；由上式可知，只需测出惯性区内两点温差的时间变化，并且对足够大的样本数进行统计平均，就可以求得
Figure BDA0003228017410000027
进一步得到
Figure BDA0003228017410000028
进一步地，结合高空风速、气温气象参数与大气折射率结构常数
Figure BDA0003228017410000029
建立联系，通过测量气象参数温度、气压和风速，以及温度结构函数进而得到
Figure BDA00032280174100000210
廓线，即根据相关参数拟合得到大气湍流廓线经验方程式，符合海边气候特征和湍流变化规律的
Figure BDA00032280174100000211
廓线公式
Figure BDA00032280174100000212
得到湍流廓线，式中h表示海洋上空高度，e为欧拉数，e≈2.718，相关实验数据以及气象参数不限制区域即不限制海域或内陆，不限制时间，不限制高度，不限制获取方式。
进一步地，S1中，利用海边的探空数据进行拟合得到湍流廓线公式来表示海洋环境下的大气湍流模型。
进一步地，S2中，相位屏分层标准根据随机介质中折射率起伏非均匀分布情况，采用等Rytov指数间隔与均匀间隔混合法确定具体相位屏分层间的密疏间隔，相位屏分布方案不限制相位屏个数，不限制高度，不限制间隔大小。
进一步地，相位屏分层间的密疏间隔，由海洋上空大气湍流廓线变化情况决定，在强湍流区域，采用等Rytov间隔法；在弱湍流区域，(1)如果在弱湍流区域内出现湍流起伏剧烈的情况，则在起伏剧烈处单独设置相位屏，再对各剩余区间采用均匀间隔法；(2)若弱湍流区域起伏稳定，则在弱湍流区域直接采用均匀间隔法。
进一步地，S3中的非均匀大气湍流传播路径的光传输模型，传播路径不限制链路方向即不限制上行或下行通信，不限制链路形式即垂直或斜程链路，不限制传播距离，不限制通信平台。
本发明采用的技术方案包括三部分：一是构建海洋上空大气湍流结构常数模型，由于观测技术与条件的限制，海洋上空的气象观测数据与陆地相比较为匮乏。本发明利用海边的探空数据进行拟合得到湍流廓线公式来表示海洋环境下的大气湍流模型，该模型符合海边气候特征及湍流变化规律；二是垂直链路光传播路径相位屏的位置分布，即根据海洋环境下的大气折射率结构常数模型，采用等Rytov指数间隔与均匀间隔混合法，实现对不同湍流起伏区域的充分采样，得到光传播路径上相位屏的优化分布，更加精确地反映光束传播路径上的湍流起伏情况；三是建立基于海洋上空环境下的大气湍流光传输模型，即描述海洋上空环境光束的传播过程。
一般情况下用大气折射率结构常数
Figure BDA0003228017410000031
的大小度量大气湍流的强弱，海洋上空环境一般可以认为
Figure BDA0003228017410000032
为强湍流，
Figure BDA0003228017410000033
为弱湍流，
Figure BDA0003228017410000034
湍流廓线模型主要分两类：一类是在大量实验分析数据的基础上得到的经验模型，其结果是统计平均，此时该模型只依赖于高度变化；另一类是结合高空风速、方向、气压、气温等气象参数与
Figure BDA0003228017410000035
建立联系。大气折射率结构常数为内陆上空环境时，传统的等Rytov指数间隔相位屏法能够根据湍流的强弱实现相位屏的密疏分布。但考虑到海洋上空的大气湍流结构常数异于内陆，基于海洋环境下的大气垂直光链路采用等Rytov指数间隔相位屏法对于弱湍流区域的采样还是不够充分。本发明基于海洋上空的大气湍流廓线，采用等Rytov指数间隔与均匀间隔混合法设置传播路径上相位屏的位置分布，在强湍流区进行等Rytov指数间隔采样，在弱湍流区根据湍流结构常数的变化情况分段并等间隔采样，这样对于强湍流或弱湍流都能够实现充分采样。等Rytov指数间隔与均匀间隔混合法得到的相位屏方案根据传播路径上的湍流强弱设置了不同疏密程度的相位屏，对各湍流起伏区进行了充分采样，真实地反映了传播路径上的湍流起伏分布。
本发明的技术特点和显著效果为：
一方面，本发明基于海洋上空环境下的大气湍流廓线，与内陆环境相比，海洋上空环境下的大气湍流传输信道相关数据获取相当复杂且可用数据较少，传统的大气湍流结构模型只适用于内陆上空的大气结构常数估算，本发明在海洋上空环境下
Figure BDA0003228017410000041
湍流廓线基础上，提出适用于海洋上空环境下的大气相位屏分布方案，完善光束基于海洋大气混合环境下的跨界质光通信信道建模，提升激光通信系统的链路完整性和可靠性；
另一方面，本发明提出采用等Rytov指数间隔与均匀间隔混合的方法对相位屏进行合理分层，获取湍流结构常数模型具有多样性，可通过相关海域的探空实际测量数据、引用现有实验经典数据等多种方法的一种获得；同时，根据传输介质折射率起伏情况决定分层间隔，这对于精确建立完整的通信链路，并对其进行合理化建模有着关键作用。
附图说明
图1为本发明实施例中基于海洋上空的垂直光链路随机相位屏分布示意图；
图2为本发明实施例中非均匀湍流介质光传播路径相位屏分布设计流程图；
图3为本发明实施例以海洋上空高度20km为例大气相位屏分布方案。
图中，1.发送器2.接收器3.光束4.相位屏。
图1中的箭头表示光束方向。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明内容作详细描述，所述实施例的实例在附图中示出，且附图中描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例：
图1展示了海洋上空光传播路径上的多层随机相位屏结构示意图，发送器1发出光束3到接收器2，光束3在大气湍流中传输，根据链路距离设置若干个相位屏4来代替连续的随机介质，当光束3到达一个相位屏时，对应的相位扰动叠加在光场中，从而代替由湍流引起的光波的相位起伏，然后真空传播到达下一相位屏，以此重复直至达到最终接收面。在光束传播过程中，由于海洋上空各高度所服从大气湍流功率谱的不同，受到湍流的影响程度也不同，结合不同高度对应的大气折射率结构常数模型，采用等Rytov指数间隔与均匀间隔混合法，对强湍流区域充分采样，弱湍流区域适当采样，得到一种适用于海洋环境下的垂直光链路相位屏分布方案。
图2所示为光传播路径上相位屏分布方案的设计流程图，以某海洋气象科学实验基地的探空数据(海上综合观测平台不限)为例估算得到海洋上空(不限海域)湍流廓线进行说明。以高度20km(不限高度)为例，采用等Rytov指数间隔与均匀间隔混合法得到的海洋上空相位屏的位置分布方案如图3所示。
强湍流区域：采用等Rytov间隔法；
弱湍流区域：
(1)若存在湍流起伏剧烈情况，则对湍流起伏剧烈处单独设置相位屏，再对各剩余区间采用均匀间隔法；
(2)若弱湍流区域起伏稳定，则在弱湍流区域直接采用均匀间隔法。由具体实例海洋上空20km拟合得到的湍流廓线可知，近海范围湍流强，越往上湍流越弱且有两处较明显的湍流起伏。
从近海面出发到达矩形圆圈重合标记点为强湍流区域，该区域采用等Rytov指数间隔法合理设置6个相位屏；加号圆圈重合标记点与星号圆圈重合标记点(湍流剧烈起伏处)各设置一个相位屏并将剩余区间分为三段，进行独立均匀间隔分布相位屏，相位屏分布个数分别为6、4和5，即在20km高度内用21个相位屏来等效其中的大气湍流。仅采用等Rytov指数间隔法虽然实现了疏密不同的相位屏，但对海洋环境下弱湍流区的采样仍然不够充分；若结合均匀间隔采样则对强弱湍流都能实现充分采样，可以得到海洋环境下更合理可靠的相位屏分布。
本发明提出一种基于海洋上空环境的非均匀路径相位屏分布法，根据折射率起伏的强弱设置密疏相间的相位屏，对符合海洋环境下的不同折射率起伏区进行了充分采样，克服了传统方法强湍流弱采样、弱湍流过采样的问题，是跨介质(海、气)信道相位屏垂直分布的优选方案。通过结合海/气界面的大气湍流廓线研究，合理建立完整的通信链路建模，对跨介质信道建模以及实际中整个无线光通信系统的分析和设计提供一定的理论指导。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种海洋上空环境下的非均匀路径大气相位屏分布方 法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，利用测量数据得到海洋上空环境下的大气湍流廓线，即大气折射率结构常数模型；
S1中，海洋上空环境下的大气湍流廓线根据实验数据分析或者结合高空风速、气温气象参数与大气折射率结构常数
Figure FDA0003821241620000011
建立联系得到湍流廓线，相关实验数据以及气象参数不限制区域即不限制海域或内陆，不限制时间，不限制高度，不限制获取方式；
用温度脉动仪测量
Figure FDA0003821241620000012
在可见光和近红外波段，大气折射率起伏主要与由温度起伏有关，通常不考虑湿度起伏的影响，因此
Figure FDA0003821241620000013
可直接由温度结构常数
Figure FDA0003821241620000014
得到:
Figure FDA0003821241620000015
式中，P表示大气压，单位为kPa；T表示温度，单位为K；在湍流充分发展的条件下，假设湍流场满足Kolmogorov局地均匀各向同性理论，则在惯性区内温度结构常数满足：
Figure FDA0003821241620000016
式中，r为两点间的距离，T(x)表示高度x处的气温，T(x+r)表示高度x+r处的气温；由上式可知，只需测出惯性区内两点温差的时间变化，并且对足够大的样本数进行统计平均，就可以求得
Figure FDA0003821241620000017
进一步得到
Figure FDA0003821241620000018
结合高空风速、气温气象参数与大气折射率结构常数
Figure FDA0003821241620000019
建立联系，通过测量气象参数温度、气压和风速，以及温度结构函数进而得到
Figure FDA00038212416200000110
廓线，即根据相关参数拟合得到大气湍流廓线经验方程式，符合海边气候特征和湍流变化规律的
Figure FDA00038212416200000111
廓线公式
Figure FDA00038212416200000112
得到湍流廓线，式中h表示海洋上空高度，e为欧拉数，e≈2.718，相关实验数据以及气象参数不限制区域即不限制海域或内陆，不限制时间，不限制高度，不限制获取方式；
S2，基于海洋上空环境下的大气折射率结构常数模型，采用等Rytov指数间隔与均匀间隔混合法，得到非均匀大气湍流相位屏的分层标准，实现对不同湍流起伏区域的充分采样；
S3，建立基于海洋上空环境下的非均匀大气湍流传播路径的光传输模型。
2.根据权利要求1所述的一种海洋上空环境下的非均匀路径大气相位屏分布方 法，其特征在于，S1中，利用海边的探空数据进行拟合得到湍流廓线公式来表示海洋环境下的大气湍流模型。
3.根据权利要求1所述的一种海洋上空环境下的非均匀路径大气相位屏分布方 法，其特征在于，S2中，相位屏分层标准根据随机介质中折射率起伏非均匀分布情况，采用等Rytov指数间隔与均匀间隔混合法确定具体相位屏分层间的密疏间隔，相位屏分布方案不限制相位屏个数，不限制高度，不限制间隔大小。
4.根据权利要求3所述的一种海洋上空环境下的非均匀路径大气相位屏分布方 法，其特征在于，相位屏分层间的密疏间隔，由海洋上空大气湍流廓线变化情况决定，在强湍流区域，采用等Rytov间隔法；在弱湍流区域，(1)如果在弱湍流区域内出现湍流起伏剧烈的情况，则在起伏剧烈处单独设置相位屏，再对各剩余区间采用均匀间隔法；(2)若弱湍流区域起伏稳定，则在弱湍流区域直接采用均匀间隔法。
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