【摘要】：近地面大氣絕大多數(shù)情況下都處于湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。大氣湍流介質(zhì)的光學(xué)折射率擾動(dòng)導(dǎo)致光信號(hào)經(jīng)其傳播后出現(xiàn)光強(qiáng)閃爍、光束漂移、光束擴(kuò)展、到達(dá)角起伏等現(xiàn)象,它們通常都對(duì)實(shí)際光波傳輸工程系統(tǒng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。為了評(píng)估這種負(fù)面影響的嚴(yán)重程度,需要定量地研究光波經(jīng)大氣湍流傳輸后的各種光波參數(shù)統(tǒng)計(jì)量。研究各種光波參數(shù)統(tǒng)計(jì)量的方法包括理論解析法、實(shí)驗(yàn)測(cè)量以及計(jì)算機(jī)仿真等。理論解析法求解光波大氣湍流傳輸問(wèn)題時(shí),往往要作一定的限定性假設(shè),使得建立的理論模型只在特定條件下有效。實(shí)驗(yàn)測(cè)量受各種環(huán)境和工程條件制約,靈活性不高,不易獲得全面的測(cè)量結(jié)果。計(jì)算機(jī)仿真本質(zhì)上是利用蒙特卡洛方法產(chǎn)生隨機(jī)光場(chǎng)樣本,再對(duì)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以獲得各種光波參數(shù)統(tǒng)計(jì)量,其具有傳輸參數(shù)可靈活改變的優(yōu)點(diǎn),可為各種光波傳輸工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供更加全面的數(shù)據(jù)支持。針對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn),研究了大氣湍流隨機(jī)相位屏模型、隨機(jī)相位屏數(shù)值生成方法以及光波傳輸計(jì)算機(jī)仿真的空間采樣約束。綜合分析已有研究成果,完成了光波大氣湍流傳輸數(shù)值實(shí)驗(yàn)建模與計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化、光波大氣湍流傳輸仿真實(shí)驗(yàn)置信度驗(yàn)證、光脈沖在各向異性大氣湍流水平傳輸?shù)拿}沖時(shí)間展寬算法研究和光波大氣湍流傳輸CUDA仿真實(shí)驗(yàn)算法研究。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論歸納如下:(1)針對(duì)光波大氣湍流傳輸蒙特卡羅仿真問(wèn)題,首先提出根據(jù)平均光強(qiáng)分布來(lái)確定光場(chǎng)網(wǎng)格采樣保存區(qū)域的方法,然后設(shè)計(jì)出并行集群仿真方案,從而顯著減小保存光場(chǎng)樣本數(shù)據(jù)所需的存儲(chǔ)空間,有效地縮短計(jì)算機(jī)仿真時(shí)間長(zhǎng)度。通過(guò)仿真實(shí)例,研究了準(zhǔn)直基模高斯光束經(jīng)大氣湍流傳輸后的平均光強(qiáng)和拉蓋爾-高斯光束經(jīng)大氣湍流傳輸后的空間模構(gòu)成變化問(wèn)題。分析結(jié)果表明:對(duì)于水平傳輸,相對(duì)于高階矩匹配法,使用零階矩匹配法確定的隨機(jī)相位屏的大氣相干參數(shù)能得到更高的仿真精度;對(duì)于大氣湍流導(dǎo)致拉蓋爾-高斯光束發(fā)生模間散射,其強(qiáng)度取決于絕對(duì)湍流強(qiáng)度以及光束的發(fā)射平面參數(shù)、徑向指數(shù)和方位指數(shù)。(2)在光波大氣湍流傳輸蒙特卡羅仿真方法的基礎(chǔ)上,計(jì)算機(jī)仿真準(zhǔn)直超短光脈沖經(jīng)長(zhǎng)度為3km的弱湍流水平路徑傳輸后的雙頻互相干函數(shù),并與數(shù)值分析的100組數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。分析結(jié)果表明:在在弱湍流和窄帶近似條件下,前部分?jǐn)?shù)據(jù)的雙頻互相干函數(shù)的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與理論解析結(jié)果比較一致,且兩個(gè)頻率的差值越大,能保持的相干程度越低,進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算機(jī)仿真的正確性。(3)提出了一種在強(qiáng)各向異性大氣湍流中基于惠更斯-菲涅爾原理的高斯光脈沖沿水平路徑傳播的雙頻互相干函數(shù)的表達(dá)式。根據(jù)獲得的表達(dá)式,利用時(shí)間矩陣的方法,推導(dǎo)出強(qiáng)各向異性大氣湍流的均方脈沖時(shí)間寬度值的接近表達(dá)式,并進(jìn)行數(shù)值分析,分析結(jié)果表明:受湍流影響的均方脈沖時(shí)間寬度值增量會(huì)隨著有效各向異性系數(shù)ζ_e的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。基于上述所取得的理論結(jié)果,確定出光脈沖在強(qiáng)各向異性大氣湍流中沿水平路徑傳輸?shù)臅r(shí)間擴(kuò)展計(jì)算方法,為用計(jì)算機(jī)仿真研究各向異性湍流對(duì)光脈沖時(shí)間擴(kuò)展特性奠定了理論基礎(chǔ)。(4)針對(duì)光波大氣湍流傳輸計(jì)算機(jī)仿真的速度問(wèn)題,提出根據(jù)相位屏的網(wǎng)格采樣數(shù)量進(jìn)行分塊處理的方法和減少CPU與GPU通信量的零復(fù)制方法,并設(shè)計(jì)出基于CUDA的并行實(shí)現(xiàn)算法。通過(guò)相關(guān)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)例,研究了準(zhǔn)直基模高斯光束經(jīng)大氣湍流傳輸后的光強(qiáng)、相位和光斑的分布情況。分析結(jié)果表明:基于蒙特卡羅的傅立葉變換相位屏采樣個(gè)數(shù)為1024×1024以下時(shí),由于采樣點(diǎn)比較少,基于CPU的串行計(jì)算方法和基于CUDA的并行計(jì)算方法耗時(shí)相差不大,無(wú)法顯示出GPU的優(yōu)勢(shì),但當(dāng)采樣個(gè)數(shù)為1024×1024以上時(shí),隨著采樣點(diǎn)增多,兩者的耗時(shí)明顯區(qū)分開(kāi)來(lái);而基于蒙特卡羅的稀疏譜模型相位屏占用內(nèi)存比較大,采用了優(yōu)化的CUDA并行計(jì)算方法,與基于CPU串行計(jì)算方法相比,前者的加速比顯著高于后者。
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)春理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN929.12;TP391.9
【圖文】：

2.2 經(jīng)湍流傳輸后光束橫截面的光強(qiáng)分布圖，人們需要一個(gè)能夠準(zhǔn)確反映湍流的物理而影響光傳輸?shù)耐牧髂Ｐ鸵呀?jīng)受到很長(zhǎng)時(shí)證。目前，廣泛接受的模型是能夠和觀測(cè)后來(lái) Later、Obukhov 等[3]采用 Kolmogoro波動(dòng)理論可以直接關(guān)聯(lián)到折射率波動(dòng)上，于描述大氣波動(dòng)的折射率結(jié)構(gòu)函數(shù)遵循 2/( )2230 0,n nD r = C r l ≤ r ≤ L結(jié)構(gòu)常數(shù)。常數(shù)分目前沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，通常用大氣湍流折湍流強(qiáng)弱的方法通過(guò)2nC 值的表達(dá)為：當(dāng)2nC17 2/3 2 1 3 2/36.4 10 m2.5 10mnC × < < × 時(shí)，大

這種統(tǒng)計(jì)模型用于計(jì)算，可能結(jié)果就不那么用的方法就是對(duì)湍流進(jìn)行限定數(shù)量的分層，分層模型隨機(jī)介質(zhì)的常用方法，也適用于計(jì)算機(jī)仿真。在模型一振幅的薄相位屏，其厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屏之間的傳輸距位擾動(dòng)計(jì)算。同時(shí)，每一個(gè)厚度為 Δz 的分層被有效地間位置 Δz /2，光在相位屏的左右傳輸被看作是自由空因此，隨機(jī)不均勻連續(xù)介質(zhì)就可以通過(guò)這一系列相位假設(shè)平板前表面 zi-1不引起光束的相位變化，采用真起光束相位變化，相位調(diào)制公式為[38]

圖 2.4 中點(diǎn)位移算法的四個(gè)步驟分別為[15]：初始角點(diǎn)合大氣湍流隨機(jī)特性的相位屏初始角點(diǎn)，采樣點(diǎn)數(shù)為 2N×2N，角1 12 23 34 4a b ca b ca b ca b cA R R RA R R RA R R RA R R R = + + = + = = + 是均值為零、方差為2aσ 的隨機(jī)高斯變量，n 分別取 1、2、3、4；、方差分別為2bσ 、2cσ 的隨機(jī)高斯變量。方格區(qū)域中心點(diǎn)值 C 取值如下

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2783307