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不同数量高斯光束通过相位屏的计算机仿真试验

2013-07-03 01:06

　　1 引言

　　激光束在大气中传输时，由于受到湍流的影响，会导致光束强度的起伏（光强闪烁）、光束扩展及光束传输方向的随机漂移等效应，引起光束质量下降，误码率增高，对激光的实际应用形成较为严重的限制。其中光束强度的起伏即光强闪烁一直是一个令人十分关注的问题，许多研究工作者对此进行了研究，本文通过将大气湍流等同为一系列的相位屏而对高斯光束进行相位调制，结合多光束发射，通过理论建模和数值仿真证明了多孔径可使不同光束通过不同的涡旋，使光束之间有相互补偿的可能性，从而增大了接收面上的最大光强，降低湍流引起的光强起伏。代写医学论文请来中国代写论文网，为您提供优质服务。

　　2 理论分析

　　本文开展了多孔径发射技术研究工作，基于理论研究的工作结果，基于多孔径发射方案的星地激光通信链路性能受到孔径大小、数量、排列方式等因素的影响，本文在总体要求孔径间距为60mm，以接收屏建立标准坐标系，接收屏的原点为坐标系原点，孔径的排列方式为对称分布在四个象限坐标轴上，传输方向为沿着z 轴的径向，光束传输后叠加在接收面高斯光束经典描述模型。
　　当光束在自由空间的近场条件下传播时，光束的扩展和相干作用不明显，高斯光束还保持着较好的准直特性。通常，实际的情况是光波在大气中传输的距离为数千千米，并且会受到大气湍流的影响，从而影响大气信道通信质量。
　　在远场传输条件下，由于单光束的几何扩展已导致各光束之间互相叠加，形成明暗相间的光斑，融合后形成的光斑中存在不同区域光强增强或减弱现象，有5 个光强峰值以及4 个光强几乎为零的极小值。

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　　3 基于相位屏理论的建模和仿真

　　为了较为客观地分析高斯光束通过对流层大气信道传输后的光强起伏情况，本文基于相位屏分析理论开展了理论建模和仿真工作，将大气信道看成为在传输主轴上密集分布的多个相位屏，在一定的误差范围内，激光束通过整条链路传输后的效果可等效为激光通过密集分布的多个相位屏后的传输效果。
　　这里引入相位屏的概念：对于模拟扰动介质（例如地球大气）以及其对光束传输的影响，相位屏是非常有效的工具，相位屏理论通过在传输光场上叠加的相关随机相位，近似的将大气对传输光束的三维传播影响压缩在二维的屏里，得到与实际传播图像相似的图像，本文通过模拟仿真实现了在不同坐标上的相同相位集合的相位屏此部分采用了傅立叶变换产生随机相位屏分析方法，其过程可描述为：首先在频域产生一个二维随机矩阵，然后利用大气湍流功率谱的平方根对其进行滤波，最后对结果进行傅立叶反变换。

　　4 部分相干高斯光束多孔径发射传播特性仿真

　　在第一部分分析的基础上，基于实际中激光传输受到大气湍流的影响开展如下仿真研究为了减小计算误差，传播距离z 取5000,经过湍流后的光束不再像自由空间那样保持比较准直的传输，而是出现漂移，闪烁等效应，所有图均取1/4 象限（即四分之一接收屏面积）。
　　1）从光强极大值的位置对比：对于一个，三个和四个孔径的情况，在四分之一接收屏上均有多个极大值，去除相同坐标的极值点，再通过采样对比分析可知：四孔径最大的光强能够集中在接收原点附近，三孔径次之，单孔径可能会出现光束偏离目标位置的情况，在实际中，如果采用四孔径发射，可以更有效的保证在接收屏面积较小的情况下，出射光束准确打到目标屏，调节了光斑的飘移。

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　　2）从最大光强数值对比：每一点的三个坐标分别为在标准坐标系下的x（cm）坐标，y（cm）坐标，I（db），颜色的深浅反映光强大小，从图中数据能看到，单个孔径在原点附近的最大光强只有0.16，而三个孔径为2.23，比单个孔径提高了十多倍，四个孔径可以将原点处的最大光强提高到2.5 左右，采用多孔径发射能提高接收面的光能量；通过积分计算可以得出，三孔能将大概50%的光强集中在接收面内，而四孔径可以将大概能量的70%集中在这个区域。
　　3）为了更进一步地分析和验证多孔径传输后的光强起伏情况，本文同时建立了不同孔径数量所引起的发射光强起伏分析模型，并开展了仿真验证工作。

　　可以看出孔径数量和调节光强起伏基本上是呈正比关系，当大气状况稳定，发射孔径间距一定时，采用多孔径发射可以降低接收面上的光强起伏，一般来说，光强闪烁方差和孔径数目成反比，孔径数目越多，光强起伏降低越明显，但是实际应用中要考虑设备的机动性与小型化，孔径数目不可能无限大，根据实际实验操作，要使接收到的信息达到最优，发射光束的数目为4 到6 个比较好。