設(shè)計了綜合斜程傳輸和光束擴展影響下的相位屏組來模擬光束經(jīng)大氣層斜程傳輸后產(chǎn)生的波前畸變,先利用功率譜反演法和次諧波補償法生成垂直傳輸路徑的相位屏,再結(jié)合斜程大氣傳輸理論對相位屏進行斜程修正,得到適用于模擬斜程大氣湍流影響的相位屏。通過數(shù)值分析對比了斜程相位屏與垂直路徑相位屏相位結(jié)構(gòu)函數(shù)的差別。結(jié)合光束擴展情況計算每個高度區(qū)間對應的波前畸變空間分布,建立了相位屏組模型,最后得到接收光波面各位置的相位分布。 

【文章來源】：紅外與激光工程. 2019,48(04)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

斜程相位屏的設(shè)計流程

。1.2對大氣湍流相位屏的斜程修正光束發(fā)散角的存在使得其在經(jīng)大氣斜程傳輸后，到達接收光闌各空間位置時受大氣衰減的影響程度不同。因此在模擬經(jīng)大氣斜程傳輸?shù)牟ㄇ盎儠r，除考慮大氣湍流功率譜在空間頻域的非均勻分布之外，還要考慮接收光波前各位置的傳輸路徑差異導致的大氣湍流功率譜在空間位置上的非均勻分布，從而能準確得到斜程傳輸影響下的相位屏各點的相位值。斜程相位屏的設(shè)計流程如圖1所示。圖1斜程相位屏的設(shè)計流程Fig.1Designflowofobliquephasescreen從垂直路徑相位屏變換到斜程相位屏的過程如圖2所示。設(shè)垂直路徑相位屏所在平面為x′oy′平面，原點為光束中心與平面的交點，則各采樣點的坐標為：x′＝m△xy′＝n△△y(6)圖2相位屏的投影變換Fig.2Projectiontransformationofphasescreen斜程相位屏所在平面為xoy平面，則經(jīng)過投影以后，各點坐標為：x＝m△x/sinθy＝n△△y(7)式中：θ光束中心與地面的夾角，即光束中心的傾斜角。設(shè)激光光束發(fā)散角為α，則x方向上相鄰采樣點相對于光束出射點的夾角可以近似為：δ=α/Nx(8)則序號為m的采樣點對應的入射傾斜角為：θm=θ-mδ(9)不同采樣點對應的入射傾斜角存在細微差別，導致各采樣點的大氣湍流相干長度也不同。序號為m的采樣點對應的大氣湍流相干長度為：r0m=0.423k2secφmz+dzz乙Cn2(h)dΣ乙h-3/5(10)式中：φm=π2-θm。對應的功率譜密度為：Φφm(fx,fy)=0.023r0m-5/3f-11/3(11)將上式代入公式(4)可得：φ′(m△xsinθ，n△y)=Nx/2ΣNy/2Σcmm′,n′ej2π(m′△fxm△x+n′△fyn△y)Σ乙(12)式中：cmm′,n′=R(m△fx，n△fy)Φφm(m△fx，n△fy)姨△fx△fy。對于低頻部分有：φL(m△xsinθ，n△y)=Npp=1Σ1m′=-1Σ1

紅外與激光工程第4期www.irla.cn第48卷0404003-4式中：f(m′，n′)=3-2pr0m-5/6flx2+fly2!"△fx△fy�？紤]大氣湍流功率譜空間分布不均勻的影響，將公式(12)、(13)兩部分相位合并，就得到了斜程相位屏各點的相位分布，設(shè)置湍流模擬的高度區(qū)間為0~500m，入射傾斜角為45°，激光波長為1550nm，Cn2=2×10-15m-2/3，采樣間隔0.003m，采樣點數(shù)為512，模擬得到的相位屏如圖3所示。(a)二維相位屏(a)Two-dimensionalphasescreen(b)三維相位屏(b)Three-dimensionalphasescreen圖3斜程相位屏Fig.3Obliquephasescreen2光束擴展影響下的斜程大氣湍流相位屏組設(shè)計大氣粒子濃度隨海拔高度增加而減小[13]，當海拔高度超過20km時，大氣的粒子濃度已經(jīng)很低，對激光傳輸?shù)挠绊懛浅Ｈ�，因此文中設(shè)置大氣層厚度為20km，20km以上空間為自由空間。文中采用等Rytov指數(shù)準則[14]來劃分大氣湍流相位屏模擬區(qū)間。在激光信號傳輸波長為1550nm、傳輸傾斜角為20°的條件下，選取HV21[15]模型作為大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)模型，利用等Rytov指數(shù)準則，在20km的大氣空間設(shè)置16個相位屏，相位屏模擬的傳輸距離區(qū)間分布如圖4所示。圖4等Rytov指數(shù)間隔的相位屏Fig.4PhasescreenwithequalRytovexponentialinterval從圖中可以看出：等Rytov指數(shù)間隔相位屏在大氣空間中的分布較為均勻，對高空弱湍流區(qū)采樣較少，對低空強湍流區(qū)采樣較多，同時設(shè)置16個相位屏剛好能滿足對不同折射率起伏區(qū)的充分采樣，同時計算量不大的要求，符合相位屏組的設(shè)置要求。對相位屏模擬區(qū)間分層后，由于激光光束發(fā)散角的存在，隨著傳播距離的增加，光束在傳輸過程中不斷展寬，對于不同高度區(qū)間的光傳輸波前模擬，所需的相位屏尺寸也隨之發(fā)生改變。為了便于利用FFT進行快速計算，?

【參考文獻】：
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本文編號：3284775