CN114839768B

CN114839768B - 一种基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高方法

Info

Publication number: CN114839768B
Application number: CN202210364028.8A
Authority: CN
Inventors: 许萌; 钟杰
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2042-04-07
Also published as: CN114839768A

Abstract

本发明提出一种基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高方法，其中包括，获取艾里光束，将艾里光束经高斯光阑调制后得到艾里高斯光束；将多个艾里高斯光束按第一预设半径的环形均匀分布排列，建立第一环形阵列艾里高斯光束模型；将多个艾里高斯光束按第二预设半径的环形均匀分布排列，建立第二环形阵列艾里高斯光束模型；将第一环形阵列艾里高斯光束模型与第二环形阵列艾里高斯光束模型进行嵌套处理，以建立双环形阵列艾里高斯光束理论模型；通过双环形阵列艾里高斯光束理论模型增大远场聚焦区间长度和提升远场聚焦区域能量。本发明能够有效提升激光通信传输速率、激光雷达探测精度、激光传能效率。

Description

一种基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高方法

技术领域

本发明属于激光通信、雷达、传能领域，具体涉及一种采用环形阵列艾里高斯光束增大远场聚焦区间长度和提升远场聚焦区域能量的方法。

背景技术

科技的不断进步创造出一些前所未见的新场景，例如车联网、智慧家居、城市智慧大脑等，传统的无线通信技术已经无法满足人们对高速率、高容量、高带宽通信的需求，在这一背景下自由空间光通信应运而生。它是一种利用光束完成数据在自由空间(空气或真空)的通信信道中传输的无线通信技术。与传统射频系统、光纤系统相比，自由空间光通信在低成本效益、高数据速率、大容量、高安全性、低部署难度等方面具有明显的优势。

在当前的自由空间光通信系统中，使用最为普遍的、用来传播信息的光束载体是高斯光。但是由于高斯光束与生俱来的衍射特性，即光束能够绕过障碍物继续传播的现象，会使得原本的光束在传输过程中慢慢展宽，导致光束膨胀和峰值强度恶化，光束能量也因此被分散。

为了解决光束由于衍射造成的能量分散问题，学者们提出环形阵列艾里光束代替高斯光束。环形阵列艾里光束在有限的传播距离内具备无衍射、自愈合等传播特性，能够抵抗大气湍流引起的光信号的扩散和衰减，还具有自聚焦特性，能够在传输过程中环形逐渐缩小最终形成具有高光强的焦点，在该点附近，即聚焦区域处放置接收端，可获得极好的通信信号，从而增强自由空间激光通信系统的通信质量，具有巨大的工程应用价值和前景。但是也存在一个缺点：对于环形阵列艾里光束，在传输路径中只会出现一个聚焦区域，之后光束的能量会再次发生衍射，这意味着环形阵列艾里光束通信覆盖范围有限。当遭遇突发的重大灾害事故时，传统通信设施大概率受到重创。在紧急搭建光通信网络时，有可能会遇到发射端设备不足导致的环形阵列艾里光束通信覆盖区域有限的问题。

为此，设计了一种采用环形阵列艾里高斯光束增大远场聚焦区间长度和提升远场聚焦区域能量的方法，可显著提升光通信系统覆盖长度与通信质量，具有现实意义和良好的应用前景。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高方法，用于增大远场聚焦区间长度和提升远场聚焦区域能量。

本发明的第二个目的在于提出一种基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高装置。

本发明的第三个目的在于提出一种计算机设备。

本发明的第四个目的在于提出一种计算机可读存储介质。

为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高方法，包括：

获取艾里光束，将所述艾里光束经高斯光阑调制后得到艾里高斯光束；

将多个所述艾里高斯光束按第一预设半径的环形均匀分布排列，建立第一环形阵列艾里高斯光束模型；将多个所述艾里高斯光束按第二预设半径的环形均匀分布排列，建立第二环形阵列艾里高斯光束模型；

将所述第一环形阵列艾里高斯光束模型与所述第二环形阵列艾里高斯光束模型进行嵌套处理，以建立双环形阵列艾里高斯光束理论模型；

通过所述双环形阵列艾里高斯光束理论模型增大远场聚焦区间长度和提升远场聚焦区域能量。

另外，根据本发明上述实施例的基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一环形阵列艾里高斯光束模型，表示为：

其中，

表示单个艾里高斯光束的初始光场，a代表着衰减系数，满足0<a≤1的条件，g代表着分布因子，满足0≤g的条件，Ai代表着艾里函数，n代表着围成环状所需的单个艾里高斯光束的总个数，j＝1,2,3,...,n表示第j个子光束，E^CAAGB(s_x,s_y,0)由n个艾里高斯光束初始光场叠加而成，表示环形阵列艾里高斯光束的初始面光场分布情况。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述将多个所述艾里高斯光束按第一预设半径的环形均匀分布排列，满足公式：

s_x＝X/w₀

s_y＝Y/w₀

其中，x与y代表着横坐标与纵坐标，w₀代表着任意横向标度，s_x与s_y代表着无量纲横坐标与无量纲纵坐标，n代表着围成环状所需的单个艾里高斯光束的总个数，j＝1,2,3,...,n表示第j个子光束，d代表着横向位移量，它与半径r之间满足

的关系。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其特征在于，还包括：

所述分布因子g，满足0≤g的条件，用于调控光束光强下降速度，g越大，光强下降速度越缓慢，聚焦区间长度越长；g越小，光强下降速度越快，聚焦区间长度越短，g＝0时光束退化为环形阵列艾里光束。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其特征在于，所述双环形阵列艾里高斯光束理论模型，表示为：

其中，E^DCAAGB(s_x,s_y,0)表示双环形阵列艾里高斯光束理论模型的初始光场，

与

分别表示处于内部与外部的环形阵列艾里高斯光束的初始光场。

为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高装置，其特征在于，包括以下模块：

获取模块，用于获取艾里光束，将所述艾里光束经高斯光阑调制后得到艾里高斯光束；

构建模块，用于将多个所述艾里高斯光束按第一预设半径的环形均匀分布排列，建立第一环形阵列艾里高斯光束模型；将多个所述艾里高斯光束按第二预设半径的环形均匀分布排列，建立第二环形阵列艾里高斯光束模型；

嵌套模块，用于将所述第一环形阵列艾里高斯光束模型与所述第二环形阵列艾里高斯光束模型进行嵌套处理，建立双环形阵列艾里高斯光束理论模型；

提升模块，用于通过所述双环形阵列艾里高斯光束理论模型增大远场聚焦区间长度和提升远场聚焦区域能量。

为达上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上所述的基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高方法。

为达上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高方法。

本发明实施例提出的基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高方法，包括环形阵列艾里高斯光束的构建、双环嵌套，在仿真条件下，所述单环形和双环形阵列艾里高斯光束，相较于环形阵列艾里光束聚焦区域长度增加明显，所述单环形阵列艾里高斯光束聚焦长度提升2倍，所述双环形阵列艾里高斯光束聚焦长度提升4.55倍；所述单环形和双环形阵列艾里高斯光束，相较于高斯光束在远场聚焦区域强度提升明显，所述单环形阵列艾里高斯光束聚焦能量提升3倍，所述双环形阵列艾里高斯光束聚焦能量提升3.2倍。本发明能够有效提升激光通信传输速率、激光雷达探测精度、激光传能效率。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例所提供的一种基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高方法的流程示意图。

图2为本发明实施例所提供的一种基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高装置的流程示意图。

图3(a)为本发明实施例所提供的环形阵列艾里高斯光束的分布及嵌套方式示意图。

图3(b)为本发明实施例所提供的双环形阵列艾里高斯光束的分布及嵌套方式示意图。

图4为本发明实施例所提供的应用场景示意图。

图5(a)为本发明实施例所提供的环形阵列艾里光束示意图。

图5(b)为本发明实施例所提供的单环形阵列艾里高斯光束示意图。

图5(c)为本发明实施例所提供的双环形阵列艾里高斯光束示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图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。

下面参考附图描述本发明实施例的基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高方法和装置。

如图1所示，该基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高方法包括以下步骤：

S101：获取艾里光束，将艾里光束经高斯光阑调制后得到艾里高斯光束；

S102：将多个艾里高斯光束按第一预设半径的环形均匀分布排列，建立第一环形阵列艾里高斯光束模型；将多个艾里高斯光束按第二预设半径的环形均匀分布排列，建立第二环形阵列艾里高斯光束模型；

S103：将第一环形阵列艾里高斯光束模型与第二环形阵列艾里高斯光束模型进行嵌套处理，以建立双环形阵列艾里高斯光束理论模型；

S104：通过双环形阵列艾里高斯光束理论模型增大远场聚焦区间长度和提升远场聚焦区域能量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一环形阵列艾里高斯光束模型，表示为：

其中，

s_x＝X/w₀

s_y＝Y/w₀

的关系。

其中，将光束聚焦区域的中心，即传输过程中光强最大值出现的位置，定义为焦点位置；将光束传输时的最大光强至减小到1/2的传输范围，定义为聚焦区间长度；将焦点位置处接收区域总能量与初始观测面总能量的百分比，定义为接收能量系数。

与

图3(a)、图3(b)为本发明中的环状阵列、双环形阵列艾里高斯光束的分布及嵌套方式示意图，本实施例提供了一种采用环形阵列艾里高斯光束增大远场聚焦区间长度和提升远场聚焦区域能量的方法，包括以下步骤：

步骤201：利用如下公式，得到图3(a)所示以原点为中心、间隔均匀的环形排布方式：

s_x＝X/w₀

s_y＝Y/w₀

的关系。

步骤202：将多个艾里高斯光束按步骤1所示排布方式分布，构造环形阵列艾里高斯光束，公式具体为：

其中，

步骤203：将两个半径不同的环形艾里高斯光束如图3(b)所示的分布方式放置，构造双环形阵列艾里高斯光束，该双环形光束的公式表示为：

与

步骤204：将环形阵列艾里高斯光束、双环形阵列艾里高斯光束的理论模型分别作为光场初始面，利用角谱理论仿真得到两种光束在任意传输距离下的光场分布，角谱理论公式为：

U(x,y,z)＝F^-1{F{U(x₀,y₀,0)}H(f_x,f_y)}

其中，z代表传输距离，U(x,y,z)指在传输距离为z时的光场分布情况，U(x₀,y₀,0)代表光场初始面，H(f_x,f_y)为真空信道的频谱函数，λ代表波长，f_x与f_y为x与y对应的频域坐标。

图4为本发明的一个应用场景，即楼宇间的高架回程链路。为了研究本发明对增大远场聚焦区间长度和提升远场聚焦区域能量的效果，表1为实例在MATLAB中的仿真参数设置。

表1仿真条件参数表

图5(a)、图5(b)、图5(c)给出了在上述仿真条件下，环形阵列艾里光束与单环形、双环形阵列艾里高斯光束的传输演化图对比情况，其中环形阵列艾里光束的传输演化情况如图5(a)所示，其中聚焦区域长度“d1”在10.8-13.57km，共2.77km；单环形阵列艾里高斯光束的传输演化情况如图5(b)所示，其中聚焦区域长度“d2”在9.25-14.9km，共5.65km；双环形阵列艾里高斯光束的传输演化情况如图5(c)所示，其中聚焦区域长度“d3”在8.4-21km，共12.6km。可以看出，聚焦区域长度“d2”相对于“d1”提升了2倍，聚焦区域长度“d3”相对于“d1”提升了4.55倍。

表2聚焦区域能量对比

表2给出了在上述仿真条件下，高斯光束与单环形、双环形阵列艾里高斯光束的能量情况，从图5(a)、图5(b)、图5(c)可以看出，单环形阵列艾里高斯光束的焦点位于11.5km，双环形阵列艾里高斯光束的焦点位于14.5km附近。由于高斯光束没有聚焦能力，即无焦点，故选取11.5km、14.5km处作为接收位置与阵列艾里高斯光束作对比。从表2可以看出，单环形阵列艾里高斯光束接收能量系数为31.76％，接收能量是高斯光束10.49％的3倍；双环形阵列艾里高斯光束接收能量系数为21.79％，接收能量是高斯光束6.8％的3.2倍。

为了实现上述实施例，本发明还提出一种基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高装置。

图2为本发明实施例提供的一种基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高装置的结构示意图。

如图2所示，该基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高装置包括：获取模块10，构建模块20，嵌套模块30，提升模块40；

其中，获取模块，用于获取艾里光束，将艾里光束经高斯光阑调制后得到艾里高斯光束；

构建模块，用于将多个艾里高斯光束按第一预设半径的环形均匀分布排列，建立第一环形阵列艾里高斯光束模型；将多个艾里高斯光束按第二预设半径的环形均匀分布排列，建立第二环形阵列艾里高斯光束模型；

嵌套模块，用于将第一环形阵列艾里高斯光束模型与第二环形阵列艾里高斯光束模型进行嵌套处理，建立双环形阵列艾里高斯光束理论模型；

提升模块，用于通过双环形阵列艾里高斯光束理论模型增大远场聚焦区间长度和提升远场聚焦区域能量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种基于环形阵列艾里高斯光束的远场聚焦能力提高方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过所述双环形阵列艾里高斯光束理论模型增大远场聚焦区间长度和提升远场聚焦区域能量；

其中，所述第一环形阵列艾里高斯光束模型，表示为：

其中，

表示单个艾里高斯光束的初始光场，a代表着衰减系数，满足0＜a≤1的条件，g代表着分布因子，满足0≤g的条件，Ai代表着艾里函数，n代表着围成环状所需的单个艾里高斯光束的总个数，j＝1,2,3,...,n表示第j个子光束，E^CAAGB(s_x,s_y,0)由n个艾里高斯光束初始光场叠加而成，表示环形阵列艾里高斯光束的初始面光场分布情况；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将多个所述艾里高斯光束按第一预设半径的环形均匀分布排列，满足公式：