基于小波分析的大气湍流相位屏模拟

大尺寸、高分辨率大气湍流相位屏的快速模拟对于在实验中验证自适应光学系统的性能及控制算法的稳定性至关重要。提出了一种基于小波分析模拟大气湍流相位屏的方案。根据离散小波变换的频段分割性质,对Von Karman型功率谱进行切割;基于能量守恒原理,生成不同尺度上对应频段的近似高频系数;利用小波层之间低频系数的递推关系,得到最高层低频系数的相关函数,并利用相关函数法来模拟低频系数;通过小波合成算法得到最终的大气湍流相位屏。模拟结果表明,基于小波分析产生的大气湍流相位屏与Von Karman模型较好地吻合;该方法的计算复杂度低,能快速模拟大尺寸、高分辨率大气湍流相位屏。

基于随机数据元扩张的大气湍流相位屏数值模拟

准确模拟大气湍流相位屏是建立大气湍流数值模型的核心问题。从大气湍流的统计学特性入手,利用大气湍流波前相位结构函数建立了一种新的大气湍流相位屏数值模拟方法,通过随机数据元扩张对大气湍流波前畸变相位分布的尺度随机性和高频分量随机性进行了模拟,并以此为基础通过相位屏近似构建了满足Kolmogorov统计规律的大气湍流数值模型。计算结果表明,随机数据元扩张法生成的相位屏在统计特性上与理论值基本吻合,在低频部分相对于功率谱反演法有明显的提升。同时,随着相位屏网格数的增加,计算结果的高频特性逐渐呈现并逼近理论值。对于由相位屏构建的大气湍流数值模型,在此通过光强闪烁率作为判据进行了验证,结果表明对于弱湍流和中等强度的湍流,模拟结果与理论计算基本相同;对于强湍流则误差较为明显,相对误差最大可达40%。

基于功率谱的高精度大气湍流相位屏的快速模拟

分析了基于非均匀采样功率谱反演大气湍流相位屏的算法,该算法可进行并行处理,并引入图形处理单元(GPU),在不影响模拟精度的前提下有效提高了相位屏的模拟速度。利用Kolmogorov功率谱,基于GPU技术生成大气湍流相位屏;对相位屏的模拟精度、模拟速度和误差进行统计分析,并与理论值进行比较。结果表明利用GPU技术模拟的大气湍流相位屏与理论值非常吻合,具有很高的模拟速度和精度,大幅提高了大气湍流相位屏的生成速度。

大气湍流中涡旋电波传输的螺旋谱特性

以随机相位屏模型来模拟大气湍流,研究涡旋电波包括波长、拓扑荷等在内的自身参量和包括大气湍流强度、传输距离等在内的传输介质参量对其轨道角动量特性的影响,发现涡旋电波在大气湍流中传输时会产生螺旋谱弥散,且弥散程度主要受波长、拓扑荷、大气湍流强度和传输距离的影响,涡旋电波的径向指数和束腰半径以及大气湍流的内尺度和外尺度对螺旋谱弥散现象的影响比较有限,该结论对涡旋电波在大气湍流中传输特性的研究有一定意义。

涡旋电磁波在湍流大气传输中的闪烁问题研究

涡旋电波的大气传输特性对于轨道角动量通信系统有重要意义。以LG波束为例,对涡旋电波在大气湍流中传输时的闪烁指数进行了研究。主要探讨了大气湍流强度、传输距离、传输高度、涡旋电波的拓扑荷数、束腰半径等因素对闪烁系数的影响。研究结果表明:闪烁指数会随着大气湍流强度、传输距离以及束腰宽度的增大而增大;涡旋电磁波的拓扑荷数增加,闪烁指数会随之增加,同时拓扑荷数对闪烁指数的影响较为明显;在1000m以内,传输高度增加,闪烁指数迅速下降;超过1000m,传输高度对闪烁指数的影响可以忽略不计。