在大氣空間光通信研究中,由于大氣湍流的影響,光束在大氣中傳輸時系統(tǒng)誤碼率會增加,系統(tǒng)通信性能變差。為了提高空間光通信質(zhì)量,需要找尋抑制大氣湍流效應的方法,但由于外場試驗成本高效率低,因此在實驗室內(nèi)模擬大氣湍流是空間光通信系統(tǒng)性能仿真測試的一種高效率低成本技術手段�，F(xiàn)代光學多采用以Kolomogrov、Von Karman等經(jīng)典湍理論為基礎的數(shù)值模擬方法模擬大氣湍流,但這些湍流理論細節(jié)信息不夠豐富,而稀疏譜湍流理論具有形式簡單、無周期的特點,能夠更好地描述湍流的細節(jié),其中本文采用的數(shù)學分區(qū)方法不涉及頻域的變換,無周期性問題且變換形式簡單,因此基于稀疏譜湍流理論的數(shù)學分區(qū)方法在湍流數(shù)值模擬方面具有良好的應用前景。本文對基于稀疏譜湍流理論的數(shù)學分區(qū)方法的相位屏模擬技術進行了研究。首先,根據(jù)稀疏譜湍流理論相位函數(shù)的特點,采用數(shù)學方法分析光波的方向、大小和振幅,使得到的相位屏滿足相位結構函數(shù)和相位函數(shù)的數(shù)學要求。較之經(jīng)典相位屏模擬方法,數(shù)學分區(qū)方法生成湍流相位屏的計算量明顯小得多。分別在0.01m、0.05m、0.1m的大氣相干長度下,將采用數(shù)學分區(qū)方法生成的相位屏灰度圖和功率譜反演法生成的相位... 

【文章來源】：長春理工大學吉林省

【文章頁數(shù)】：60 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

湍流池結構示意圖

第1章緒論3圖1.2多層隨機相位屏的模擬原理1983年，Wallner提出了協(xié)方差法，用協(xié)方差法構造矩陣，使矩陣上的點符合相位結構函數(shù)，協(xié)方差適用于模擬Kolmogorov大氣湍流模型，精確度比較高但是計算量很大[12]。后來，Noll根據(jù)Zernike多項式，建立一組完備正交基模擬大氣湍流，這是時域的變換，不需要經(jīng)過頻域的間接變換，這種方法得到的相位屏冗余度小，并且是隨著模擬階數(shù)的增加模擬精度也越高，但是計算量十分巨大，需要選擇合適的階數(shù)模擬不同強度的大氣湍流。1992年，Lane等人提出了次諧波法，次諧波法低頻信息豐富，但是高頻成分不足，這種方法計算量巨大，一般計算到5階。后來，常將由次諧波法生成的相位屏和缺少低頻成分的相位屏疊加，用于相位屏低頻補償[13]。1996年，McGlamery提出了功率譜反演法，該方法對功率譜密度函數(shù)作傅里葉變換，在濾波過程中引入相位畸變，最后進行傅里葉反變換，該方法生成的相位屏高頻信息豐富卻極度缺少低頻信息[14]。這種方法現(xiàn)在用的比較多，在此基礎上有了許多改進的相位屏生成方法。2000年，DonaldRMcGaughey用分數(shù)高斯過程算法產(chǎn)生了光束波前畸變的新方法。這種算法用一維和三維的形式表示了模擬波前的相關函數(shù)和功率譜，是一種能夠有效模擬光束畸變的方法[15]。2007年，帕多瓦大學的AlessandroBeghi提出了一種基于隨機實現(xiàn)理論的大氣湍流相位屏模擬方法，這種方法考慮統(tǒng)計信息并能夠及時擴展相位屏，這種方法用于增加重構結構函數(shù)的準確性，能夠優(yōu)化存儲器的性能[16]。2011年，AkondiVyas根據(jù)相位結構函數(shù)的誤差，對大氣湍流相位屏模擬的網(wǎng)格尺寸進行了優(yōu)化，使相位屏的模擬更加精確[17]。2014年，密歇根理工大學的MichaelC.Roggemann提出了一種模擬非Kolmogrov定律的方法，采?

第2章大氣湍流光束傳輸理論7方向和速度的漩渦分子，這些漩渦分子相互交疊，就形成了大氣湍流。圖2.1Richardson級串模型2.1.2大氣湍流特征參數(shù)（1）相位結構函數(shù)相位結構函數(shù)一般用來評估相位屏的頻率特性。理論結構函數(shù)一般由湍流理論模型決定，實際結構函數(shù)的生成方法由湍流相位屏得到，取相位屏上一定距離兩點的相位差作為該段距離的結構函數(shù)，將理論結構函數(shù)和實際生成相位屏進行對比，擬合程度越高，表明生成的結構函數(shù)越符合對于的大氣湍流模型。生成實際結構函數(shù)的方法一般分成兩種：第一種是僅分析一幅相位屏的結構函數(shù)，這種情況生成的結構函數(shù)能夠很好地反映這幅相位屏的擬合度，但是由于在每一幅的相位屏仿真過程中都會引入隨機數(shù)，那么生成的單幅相位屏很難具有代表性；另一種就是生成多幅相位屏，對同一位置的多個數(shù)據(jù)取平均值，最后把這些數(shù)據(jù)整合成結構曲線，本文采用這種結構函數(shù)生成方式。一般不同的湍流模型會有不同的結構函數(shù)曲線。相位結構函數(shù)是驗證模擬的大氣湍流是否符合模型參數(shù)的重要指標[28]。一般將實驗室仿真得到的相位屏按照公式（2-1）計算得到實際相位結構函數(shù)。22D(r)=<[S(R+r)]S(r)]（2-1）可以取左下角為相位屏半徑的計算原點，選取多個采樣半徑，對每個采樣半徑下的數(shù)據(jù)計算平均數(shù)作最終結構函數(shù)曲線。（2）大氣相干長度大氣相干長度是表征大氣湍流強度的一個重要參數(shù)，一般大氣相干長度表示為0r。在研究激光與大氣之間的相互作用時，大氣湍流強度和相干長度存在緊密的聯(lián)系，通常用大氣相干長度來表征湍流的強弱，一般0r越小，天氣越惡劣，大氣湍流擾動越強烈[29]。

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
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本文編號：2981283