阅读说明：本技术 光信号大气瞬态传输相位及强度分布变化仿真方法 (Simulation method for optical signal atmospheric transient transmission phase and intensity distribution change ) 是由 于信 倪小龙 陈纯毅 刘智 董喆 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：光信号大气瞬态传输相位及强度分布变化仿真方法属于大气光学及系统仿真技术领域。现有技术未能真实反映大气湍流对光束的强度时间分布的影响。本发明其特征在于,在空间上,将所述随机湍流相位屏设置于z轴上的发射位置T-(x)到接收位置R-(x)之间；在时间上,在发射位置T-(x)对一个光脉冲的光强分布在t-(1)～t-(n)时间段内做n段展开,得到n个光束相位切片；每个光脉冲的光强分布时间切片(光束相位切片)与随机湍流相位屏的叠加,给出仿真的光信号因大气湍流而发生的相位及强度分布变化,实现强度-时间及相位-空间双重仿真,相比于现有技术,增加了时间维度,因此,本发明更加真实地反映了大气湍流对无线光通信光信号的影响。(A simulation method for transient transmission phase and intensity distribution change of optical signal atmosphere belongs to the technical field of atmospheric optics and system simulation. The prior art does not truly reflect the influence of atmospheric turbulence on the intensity time distribution of a light beam. The invention is characterized in that the random turbulence phase screen is spatially arranged Emission position T arranged on z-axis x To a receiving position R x To (c) to (d); in time, at the emission location T x The light intensity distribution for a light pulse is at t 1 ～t n N sections of expansion are carried out in a time period to obtain n light beam phase slices; time slice (light beam phase slice) and random turbulence phase screen for light intensity distribution of each light pulse)

光信号大气瞬态传输相位及强度分布变化仿真方法

技术领域

本发明涉及一种光信号大气瞬态传输相位及强度分布变化仿真方法，属于大气光学及系统仿真技术领域。

背景技术

无线光通信的很多链路都要经过大气，大气环境对光信号会形成不利影响，例如，由于大气的湍流运动使大气折射率随机起伏，因此，光信号在大气信道中传输时会产生光束随机相位的随机变化、光束本身的随机漂移、光束能量在光束截面上的重新分布(畸变、展宽、破碎等)，进而在光信号接收系统探测面上出现对应现象，从而会使光信号探测信噪比降低、瞄准捕获跟踪系统工作不正常，最终导致通信突发错误，甚至中断。可见，大气对无线光通信的影响是无线光通信技术应用研究的关键问题。

若仅仅采用野外测量、重复实验等手段研究大气对无线光通信的影响，不仅消耗大量的人力、物力和财力，而且，鉴于大气本身的不确定性，很难完全准确地反映各种天气环境下的湍流运动。于是，在该技术领域，出现了通过模拟仿真建立光束大气传输模型，在仿真过程既无大气、也无光束，均采用数值仿真方法模拟，由此研究大气对无线光通信的影响。在现有仿真方法中，光束大气传输模型均以相位作为传输的基础参数，所建立光束大气传输模型属于相位-空间域模型，该模型的核心为光束的相位空间分布特性，也就是经大气湍流传输后，光束的相位空间分布的变化规律。然而，对于强度调制的光信号，其本质为光的强度时间分布特性，而现有相位-空间域模型未能真实反映大气湍流对光束的强度时间分布的影响。光信号是无线光通信的基础，现有技术接下来再采用概率统计的方法探寻大气湍流对无线光通信的影响，其结果的真实性势必很弱。

发明内容

为了更加真实反映大气湍流对无线光通信光信号的影响，我们发明了一种光信号大气瞬态传输相位及强度分布变化仿真方法，能够为提高无线光通信系统的跟踪精度、通信速率等性能指标提供了一种方便、实用、有效的技术手段。

本发明之光信号大气瞬态传输相位及强度分布变化仿真方法其特征在于：

随机湍流相位屏的极坐标生成函数为：

式中：α_n为随机正态分布的复振幅，n＝1,2,…,N，α_n的统计特性服从如下规律：

＜α_n＞＝0，＜α_nα_m＞＝0，

其中：s_n为复振幅a_n的方差，m为介于1～N之间的任意一个数值，δ_mn是两个方差的差值；

为随机向量，服从概率分布且：

通过改变复振幅α_n、随机向量模拟各种天气环境下的大气湍流运动对光信号相位分布的改变，并且在模拟每一种天气环境的过程中，随机切换的随机湍流相位屏模拟变化中的大气湍流运动；

如附图所示，光信号大气瞬态传输相位及强度分布变化仿真过程在一个等效仿真系统中进行，在所述等效仿真系统中，沿光束传播路径依次排列发射有限孔径1、发射光学系统2、随机湍流相位屏接收光学系统3、接收有限孔径4、光电探测器5；在空间上，将所述随机湍流相位屏设置于z轴上的发射位置T_x到接收位置R_x之间；在时间上，在发射位置 T_x对一个光脉冲的光强分布在t₁～t_n时间段内做n段展开，得到n个光束相位切片，n的值满足奈奎斯特采样定理；通过设置每个光束相位切片上的总光强及光强分布来模拟光信号时间域上的强度变化，随机湍流相位屏随机切换，所述n个光束相位切片依次在所述随机湍流相位屏处发生衍射，受到模拟大气湍流对光信号传输的随机影响，在接收位置R_x，接收到n个对应的受模拟大气湍流影响强度分布发生变化的光束相位切片；对每一个接收到的光束相位切片分别进行光能量求和，得到单个光脉冲，将多个不同光脉冲串联起来，得到模拟大气传输后的瞬态传输相位及强度分布发生变化的光信号，完成光信号大气瞬态传输相位及强度分布变化仿真。

本发明其技术效果如下所述。

无线光通信的信号调制属于强度调制，强度调制的光信号，其本质为光强度的时间分布特性。而现有光束大气湍流传输模型均是以相位作为传输的基础参数，该模型的核心为光束相位的空间分布特性经大气湍流传输后的变化规律，因此，相位-空间域模型无法真实反映大气湍流对光强时间分布的影响，因而也就无法完全反映大气湍流对光信号的影响。在本发明中，每个光脉冲的光强分布时间切片(光束相位切片)与随机湍流相位屏的叠加，给出仿真的光信号因大气湍流而发生的相位及强度分布变化，实现强度-时间及相位-空间双重仿真，相比于现有技术，增加了时间维度，因此，本发明更加真实地反映了大气湍流对无线光通信光信号的影响。

随机湍流相位屏模拟的是由漂浮不定的大气湍流所引起光束的二维随机相位分布，而不是大气湍流本身。例如，炽热路面上方空气以湍流的方式存在，该湍流相当于一组折射率不同且时刻随机变化的透镜，该组透镜给出人们所看到的抖动的图像，随机湍流相位屏通过生成抖动的图像反过来模拟大气湍流。

因相位与强度存在对应关系，相位分布、相位分布变化同时说明强度分布、强度分布变化。因此，虽然随机湍流相位屏模拟的是光束的二维随机相位分布，也就模拟了二维随机强度分布。

附图说明

图1是本发明之光信号大气瞬态传输相位及强度分布变化仿真方法示意图。

具体实施方式

所模拟的光信号的传输速率为Mbps至Gbps量级，如1Gbps。单个光脉冲所对应的光束相位切片数n符合奈奎斯特采样定理，如10个。随机湍流相位屏的切换频率为百赫兹量级，如100Hz，最小周期为单个光束相位切片传输周期，如100ps。

随机湍流相位屏的极坐标生成函数中的复振幅a_n的方差s_n的表达式为：

式中：C＝0.4897，r_c为表征大气湍流强度的大气相干长度，如设为5cm；N为空间频率采样数，如设为500；K_n、K_n-1为随机系数，随机系数K_n的表达式为：

式中：ξ为随机数，在区间[0,1]内均匀分布。

随机湍流相位屏的极坐标生成函数中的随机向量表达式为：

式中：θ_n为随机数，在[-π,π]区间内均匀分布。

仿真的光信号光斑为高斯光束，沿z轴正向传播，其光束相位切片的光场U(r,z＝l)垂直于z轴，r为光场平面上的一点，l为该点在z轴上的位置。对光信号、等效仿真系统进行等效初始。

光信号大气瞬态传输相位及强度分布变化仿真过程包括以下步骤：

步骤1，所述n个光束相位切片在发射有限孔径1的限定下依次以有限孔径发射，之后叠加发射光学系统2相位，得到第一次叠加后的光束相位切片，并由发射光学系统2完成光束相位切片的整形模拟，如果拟定发射光学系统2为准直光学系统，则由发射光学系统2完成光束相位切片的准直整形模拟，如果拟定发射光学系统2为发散光学系统，则由发射光学系统2完成光束相位切片的发散整形模拟。

步骤2，所述n个第一次叠加后的光束相位切片依次在所述随机湍流相位屏处发生衍射，叠加大气湍流对光信号传输的随机影响，得到第二次叠加后的光束相位切片；

步骤3，所述n个第二次叠加后的光束相位切片叠加接收光学系统3相位，得到第三次叠加后的光束相位切片，并由接收光学系统3完成光束相位切片的整形模拟，如果拟定接收光学系统3为准直光学系统，则由接收光学系统3完成光束相位切片的准直整形模拟，如果拟定接收光学系统3为聚焦光学系统，则由接收光学系统3完成光束相位切片的聚焦整形模拟。

步骤4，由接收有限孔径4依次截取所述n个第三次叠加后的光束相位切片，接收有限孔径4的截取孔径(如100μm)远小于光束相位切片光斑尺寸，在本步骤中通过调整接收有限孔径4的截取孔径，得到具有不同强度分布、不同相位分布的光束相位切片；之后，该光束相位切片成像于光电探测器5，光电探测器5的采样速率与所模拟的光信号的传输速率相同，为1Gbps，对每一个接收到的光束相位切片分别进行光能量求和，再乘以光电探测器5的光电转化效率R，如R＝0.4，计算出此时光电探测器5的输出电压值，由n个光束相位切片的输出电压值得到单个光脉冲，将多个不同光脉冲串联，得到大气瞬态传输相位及强度分布变化的仿真光信号。

通过接收有限孔径4之后的光束相位切片的光场表达式为：

式中：F和F^-1分别代表傅立叶变换和逆傅立叶变换，k为光波波数，k＝2π/λ，λ为光束波长，S(r)为光束相位切片表达式，k_x和k_y表示二维空间频率矢量k两分量，z＝l-Δ_z、 z＝l分别为光束相位切片的输入平面、输出平面，为与径向位置r无关的相位增量，由近轴传输引起，Δ_z为光束相位切片厚度。