CN114884599B - 蓝绿涡旋光气海跨介质准直入射单程传输模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了蓝绿涡旋光气海跨介质准直入射单程传输模型的构建方法，具体按照以下步骤：步骤1：采用随机相位屏法模拟大气湍流；步骤2：采用蒙特卡罗法生成粗糙海面；步骤3：采用随机相位屏法模拟海洋湍流；步骤4：经步骤1、步骤2和步骤3后，详细讨论海面风速、传输距离及海洋湍流强度对拉盖尔‑高斯光束传输特性的影响，基于蒙特卡罗法生成粗糙海面、随机相位屏法模拟大气湍流和海洋湍流，分析了不同风速海面、不同传输距离、不同湍海洋流强度对拉盖尔‑高斯光束传输特性的影响。

Description

蓝绿涡旋光气海跨介质准直入射单程传输模型的构建方法

技术领域

本发明涉及激光传输技术领域，具体为一种基于蓝绿涡旋光气海跨介质准直入射单程传输模型的构建方法。

背景技术

地球约百分之七十的面积被海洋所覆盖，一直以来声波是最有效的海中无线探测和通信技术，但声波的带宽低、保密性差、内部干扰强。随着新一代通信技术的发展，要系统全面的进行海上无线光通信研究。涡旋光束是一种具有螺旋相位分布的特殊光束，具备信息容量大、加密性强、安全性高等多个优点，开展上层大气-低层海洋链路的涡旋光气海跨介质通信，是未来空天地海一体化信息网络发展的重要部分。

关于涡旋光，一直以来人们都在研究其在大气湍流中的传输性；海洋环境下，人们主要研究蓝绿激光的传输特性，聚焦在粗糙海面或海洋湍流中的蓝绿激光的传输与散射特性。国内外学者大多对激光在大气湍流、粗糙海面和海洋湍流中的传输特性分别进行讨论，针对蓝绿涡旋光束从大气经海面到海洋的全链路跨介质模型的研究很少。

发明内容

本发明的目的是提供一种蓝绿涡旋光在上层大气-低层海洋链路跨介质传输模型的构建方法，将为新一代水下涡旋光大容量通信提供理论支持。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：蓝绿涡旋光气海跨介质准直入射单程传输模型的构建方法，具体按照以下步骤：

步骤1：采用随机相位屏法模拟大气湍流；

步骤2：采用蒙特卡罗法生成粗糙海面；

步骤3：采用随机相位屏法模拟海洋湍流；

步骤4：经步骤1、步骤2和步骤3后，详细总结海面风速、传输距离及海洋湍流强度对拉盖尔-高斯光束传输特性的影响。

优选的，所述步骤1中，随机相位屏法模拟大气湍流，具体步骤为:

采用功率谱反演法模拟大气湍流时，大气的相位频谱与大气折射率频谱满足:

Φ(k_x,k_y)＝2πk²ΔzΦ_n(k_x,k_y) (1)；

公式(1)中：k为光束的波数，Δz为两相位屏之间的间隔距离，Δz的值等于传输距离z与相位屏个数的比值，k_x，k_y分别为x方向和y方向的空间波数，海面上方的海洋大气折射率变动频谱Φ_n(k_x，k_y)形式为:

公式(2)中：为大气折射率结构常数，用来表征大气折射率随机不均匀性的严重程度，/>越大，大气湍流强度越大；/>是空间波数，κ_H＝3.41/l₀是与海洋大气湍流内部尺度相关的空间波数，l₀为大气湍流内尺度；另外κ₀＝1/L₀，L₀为大气湍流外尺度；进一步得到相位频谱的方差σ²：

公式(3)中：N为生成复矩阵的维数，Δx为相位屏中两栅格之间的距离，经过快速傅里叶变换，得到随机相位屏φ(x，y)的表达式为：

公式(4)中：h为生成的均值为0、方差为1的N×N维复矩阵,可利用光束在多个随机相位屏的传输模拟光束在大气湍流中的传输。

优选的，所述步骤2中，蒙特卡罗法生成粗糙海面，具体步骤如下:

采取二维JONSWAP非稳态海谱描述大气-海洋界面时，海谱形式为：

S(k,θ)＝S(k)·G(k,θ) (5)

公式(5)中：S(k)为JONSWAP谱的一维海谱，G(k,θ)为二维JONSWAP谱引入的方向因子；

S(k)为JONSWAP谱的一维形式：

公式(6)中：k为光束的波数，是无方向曲率谱，/>为PM的形状谱参数，k_p＝k₀Ω_c ²，Ω_c＝1时对应的是完全发展海面；J_p为Hasselmann引入的峰值增强因子；/>其中/>u_x为风域，/>g为重力加速度，u₁₀为海面上方10m处的风速；

G(k,θ)为二维JONSWAP谱所引入的方向因子，G(k,θ)可以采用由Bruning提出的双边方向分布函数：

公式(7)中：k＜k_p时，指数s＝0.46(k/k_p)^2.5·11.5[u_19.5/c(k_p)]^-2.5；k≥k_p，指数s＝0.46(k/k_p)^-1.25·11.5[u_19.5/c(k_p)]^-2.5，其中u_19.5为海面上方19.5m处的风速，c(k_p)为谱峰值处的相速度；θ_w为风向与x轴的夹角。

优选的，所述步骤3中，随机相位屏法模拟海洋湍流，具体步骤如下:

海水相位频谱与海水折射率波动谱之间满足：

Φ(k_x,k_y)＝2πk₀ ²ΔzΦ_n(k_x,k_y) (8)；

公式(8)中，Φ_n(k_x,k_y)是由Nikishov提出的海水折射率波动谱，具体形式为：

公式(9)中：A_T＝1.863×10^-2，A_S＝1.9×10^-4，

A_TS＝9.41×10^-3，经过快速傅里叶变换后，得到随机相位屏的表达式：

公式(10)中：其中h(m',n')是一个均值为0方差为1的N×N维复杂随机序列，N为生成的复矩阵的维数，Δx是相位屏幕中两个网格之间的距离，Φ(m',n')为海水折射率波动谱；

利用光束在多个随机相位屏的传输模拟光束在海洋湍流中的传输。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明一种基于蓝绿涡旋光气海跨介质准直入射单程传输模型的构建方法，基于蒙特卡罗法生成粗糙海面、随机相位屏法模拟大气湍流和海洋湍流，分析了不同风速海面、不同传输距离、不同湍海洋流强度对拉盖尔-高斯光束传输特性的影响；本发明对蓝绿涡旋光进行气海跨介质光传输和光通信实验研究提供理论依据。

附图说明

图1是本发明一种基于涡旋光跨介质传输模型的示意图；

图2是本发明一种基于随机相位屏方法生成的大气湍流随机相位屏；

图3是本发明一种基于JOWSWAP海谱模型生成的不同风速动态二维海面图；

图4是本发明一种基于随机相位屏方法生成的不同强度的海洋湍流随机相位屏；

图5是本发明分析的海面风速对拉盖尔-高斯光束传输特性的影响情况；

图6是本发明分析的传输距离对拉盖尔-高斯光束传输特性的影响情况；

图7是本发明分析的湍流强度对拉盖尔-高斯光束传输特性的影响情况。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的本发明附图，对本发明实施例中的本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：蓝绿涡旋光气海跨介质准直入射单程传输模型的构建方法，如图1所示，假定光发射机位于海面上方10m处发射蓝绿涡旋光E₀，光束从海上大气湍流中传输后的光场为E₁，再通过海面传输后的光场为E₂，E_s为散射光束，最后在海洋湍流中传输后到达光接收机的光场为E_i。具体按照以下步骤实施：

步骤1，拉盖尔高斯光束在大气湍流中传输，具体步骤如下：

假定拉盖尔-高斯光束在柱坐标下沿z轴传播，其光场表达式为：

公式(11)中，p为阶数，l为拓扑荷数，为瑞丽长度，/>表示光束在z位置的束腰半径，/>是光束的波数；

拉盖尔-高斯光束在自由空间传输时的传输函数为：

U_prop(k_x,k_y)＝exp[iΔz(k₀ ²-k_x ²-k_y ²)] (12)；

光束从初始位置通过第一个相位屏后，光场表达式为：

U₁(x,y)＝FFT^-1[FFT[E₀]·U_prop(k_x,k_y)]·exp[iφ₁(x,y)] (13)；

公式(13)中，E₀为拉盖尔-高斯光束初始光场表达式，φ₁(x,y)为生成的第一个随机相位屏的表达式。可利用光束在多个随机相位屏的传输模拟光束在大气湍流中的传输，光束通过第n个相位屏后的光场表达式为：

U_n(x,y)＝FFT^-1[FFT[U_n-1(x,y)]·U_prop(k_x,k_y)]·exp[iφ_n(x,y)] (14)

即拉盖尔-高斯光束通过大气湍流后的光场E₁＝U_n(x,y)；

步骤2，经步骤1后，在大气湍流中传输后的拉盖尔高斯光束通过海面，具体步骤如下：

利用蒙特卡罗方法生成粗糙海面[28]，光束在粗糙海面传输后的光场表达式为：

E₁为拉盖尔-高斯光束通过大气湍流后的光场，k为波数，h为海面高度起伏函数，n₀为海面折射率，为光束通过海面的透射率，其中，/>磁导率μ₁＝μ₂＝1，空气相对介电常数ε₁＝1，海水相对介电常数/>

步骤3，经步骤2后，通过海面后的拉盖尔高斯光束在海洋湍流中传输，具体步骤类似于拉盖尔高斯光束在大气湍流中的传输：

E_i＝FFT^-1[FFT[U_n-1(x,y)]·U_prop(k_x,k_y)]·exp[iφ_n(x,y)] (16)

即拉盖尔-高斯光束通过大气湍流后的光场E_i＝U_n(x,y)。

为了验证本发明方法所构建的蓝绿涡旋光气海跨介质准直入射的单程传输模型的正确性，在不同参数设置下，分析不同风速的海面、不同传输距离、不同海洋湍流强度对拉盖尔-高斯光束传输特性的影响。

图2(a)、(b)为大气折射率结构常数为时，生成的大气湍流随机相位屏；图3为生成的动态粗糙海面，风向为60°，风域为10km，图3(a)、(b)分别为风速为u₁₀＝0.14m/s、u₁₀＝10m/s条件下的海面，当海面风速越大，海面高度起伏越大；图4为不同强度的海洋湍流随机相位屏，图4(a)、(b)为ε＝10^-1m²/s³，χ_T＝10^-10K²/s，ω＝-3时，生成的弱海洋湍流随机相位屏，图4(c)、(d)为ε＝10^-5m²/s³，χ_T＝10^-9K²/s，ω＝-3时，生成的强海洋湍流随机相位屏，可以发现，海洋湍流强度越大，海洋湍流随机相位屏的起伏越大；图5(a)、(b)、(c)为初始拉盖尔-高斯的光强和相位分布，图5(d)、(e)、(f)为海面风速u₁₀＝0.156m/s条件下，拉盖尔-高斯光束气海跨介质传输后的光强和相位分布，可发现海面风速u₁₀＞0.156m/s时，拉盖尔-高斯光束传输后的光强衰减越来越严重，螺旋相位分布将完全变形；图6(a)、(b)、(c)是初始拉盖尔-高斯光束的光强和相位分布，图6(d)、(e)、(f)为拉盖尔-高斯光束在弱海洋湍流中传输50m后光强和相位分布；图6(g)、(h)、(i)为拉盖尔-高斯光束在弱海洋湍流中传输200m后光强和相位分布，可发现传输距离增大，使拉盖尔-高斯光束光强减小，中间的暗中空半径在逐渐减小，相位发生扭曲畸变；图7(a)、(b)、(c)为拉盖尔-高斯光束在强海洋湍流中传输50m后的光强和相位分布，和图6(d)、(e)、(f)进行对比，发现海洋湍流强度越强，使拉盖尔-高斯光束光强起伏越来越大，涡旋光束的相位畸变越严重，当湍流强度增大到一定程度时，相位的螺旋分布会完全变形。

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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.蓝绿涡旋光气海跨介质准直入射单程传输模型的构建方法，其特征在于，具体按照以下步骤：

步骤1：采用随机相位屏法模拟大气湍流；

步骤2：采用蒙特卡罗法生成粗糙海面；

步骤3：采用随机相位屏法模拟海洋湍流；

步骤4：经步骤1、步骤2和步骤3后，详细总结海面风速、传输距离及海洋湍流强度对拉盖尔-高斯光束传输特性的影响；

步骤1，拉盖尔高斯光束在大气湍流中传输，具体步骤如下：

假定拉盖尔-高斯光束在柱坐标下沿z轴传播，其光场表达式为：

公式(11)中，p为阶数，l为拓扑荷数，为瑞丽长度，/>表示光束在z位置的束腰半径，/>是光束的波数；

拉盖尔-高斯光束在自由空间传输时的传输函数为：

U_prop(k_x,k_y)＝exp[iΔz(k₀ ²-k_x ²-k_y ²)] (12)；

光束从初始位置通过第一个相位屏后，光场表达式为：

U₁(x,y)＝FFT^-1[FFT[E₀]·U_prop(k_x,k_y)]·exp[iφ₁(x,y)] (13)；

公式(13)中，E₀为拉盖尔-高斯光束初始光场表达式，φ₁(x,y)为生成的第一个随机相位屏的表达式；利用光束在多个随机相位屏的传输模拟光束在大气湍流中的传输，光束通过第n个相位屏后的光场表达式为：

U_n(x,y)＝FFT^-1[FFT[U_n-1(x,y)]·U_prop(k_x,k_y)]·exp[iφ_n(x,y)] (14)

即拉盖尔-高斯光束通过大气湍流后的光场E₁＝U_n(x,y)；

步骤2，经步骤1后，在大气湍流中传输后的拉盖尔高斯光束通过海面，具体步骤如下：

利用蒙特卡罗方法生成粗糙海面[28]，光束在粗糙海面传输后的光场表达式为：

E₁为拉盖尔-高斯光束通过大气湍流后的光场，k为波数，h为海面高度起伏函数，n₀为海面折射率，为光束通过海面的透射率，其中，/>磁导率μ₁＝μ₂＝1，空气相对介电常数ε₁＝1，海水相对介电常数/>

步骤3，经步骤2后，通过海面后的拉盖尔高斯光束在海洋湍流中传输，具体步骤类似于拉盖尔高斯光束在大气湍流中的传输：

E_i＝FFT^-1[FFT[U_n-1(x,y)]·U_prop(k_x,k_y)]·exp[iφ_n(x,y)] (16)

即拉盖尔-高斯光束通过大气湍流后的光场E_i＝U_n(x,y)。

2.根据权利要求1所述的蓝绿涡旋光气海跨介质准直入射单程传输模型的构建方法，其特征在于，所述步骤1中，随机相位屏法模拟大气湍流，具体步骤为:

采用功率谱反演法模拟大气湍流时，大气的相位频谱与大气折射率频谱满足:

Φ(k_x,k_y)＝2πk²ΔzΦ_n(k_x,k_y) (1)；

公式(1)中：k为光束的波数，Δz为两相位屏之间的间隔距离，Δz的值等于传输距离z与相位屏个数的比值，k_x，k_y分别为x方向和y方向的空间波数，海面上方的海洋大气折射率变动频谱Φ_n(k_x，k_y)形式为:

公式(2)中：为大气折射率结构常数，用来表征大气折射率随机不均匀性的严重程度，/>越大，大气湍流强度越大；/>是空间波数，κ_H＝3.41/l₀是与海洋大气湍流内部尺度相关的空间波数，l₀为大气湍流内尺度；另外κ₀＝1/L₀，L₀为大气湍流外尺度；进一步得到相位频谱的方差σ²：

公式(3)中：N为生成复矩阵的维数，Δx为相位屏中两栅格之间的距离，经过快速傅里叶变换，得到随机相位屏φ(x，y)的表达式为：

公式(4)中：h为生成的均值为0、方差为1的N×N维复矩阵,可利用光束在多个随机相位屏的传输模拟光束在大气湍流中的传输。

3.根据权利要求1所述的蓝绿涡旋光气海跨介质准直入射单程传输模型的构建方法，其特征在于，所述步骤2中，蒙特卡罗法生成粗糙海面，具体步骤如下:

采取二维JONSWAP非稳态海谱描述大气-海洋界面时，海谱形式为：

S(k,θ)＝S(k)·G(k,θ) (5)

公式(5)中：S(k)为JONSWAP谱的一维海谱，G(k,θ)为二维JONSWAP谱引入的方向因子；

S(k)为JONSWAP谱的一维形式：

公式(6)中：k为光束的波数，是无方向曲率谱，/>为PM的形状谱参数，k_p＝k₀Ω_c ²，Ω_c＝1时对应的是完全发展海面；J_p为Hasselmann引入的峰值增强因子；/>其中/>u_x为风域，/>g为重力加速度，u₁₀为海面上方10m处的风速；

G(k,θ)为二维JONSWAP谱所引入的方向因子，G(k,θ)可以采用由Bruning提出的双边方向分布函数：

公式(7)中：k＜k_p时，指数s＝0.46(k/k_p)^2.5·11.5[u_19.5/c(k_p)]^-2.5；k≥k_p，指数s＝0.46(k/k_p)^-1.25·11.5[u_19.5/c(k_p)]^-2.5，其中u_19.5为海面上方19.5m处的风速，c(k_p)为谱峰值处的相速度；θ_w为风向与x轴的夹角。

4.根据权利要求1所述的蓝绿涡旋光气海跨介质准直入射单程传输模型的构建方法，其特征在于，所述步骤3中，随机相位屏法模拟海洋湍流，具体步骤如下:

海水相位频谱与海水折射率波动谱之间满足：

Φ(k_x,k_y)＝2πk₀ ²ΔzΦ_n(k_x,k_y) (8)；

公式(8)中，Φ_n(k_x,k_y)是由Nikishov提出的海水折射率波动谱，具体形式为：

公式(9)中：A_T＝1.863×10^-2，A_S＝1.9×10^-4，A_TS＝9.41×10^-3，经过快速傅里叶变换后，得到随机相位屏的表达式：

公式(10)中：其中h(m',n')是一个均值为0方差为1的N×N维复杂随机序列，N为生成的复矩阵的维数，Δx是相位屏幕中两个网格之间的距离，Φ(m',n')为海水折射率波动谱；

利用光束在多个随机相位屏的传输模拟光束在海洋湍流中的传输。