[发明专利]贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性的仿真方法及系统

说明书

本发明提供了一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真方法及系统，包括模拟大气激光通信系统，建立大气激光通信信道模型，其中大气激光通信系统包含发射端、接收端及湍流大气信道，发射端发射贝塞尔高斯光束后，贝塞尔高斯光束在湍流大气信道中传输，接收端接收贝塞尔高斯光束，并输出接收的光斑，通过模拟激光光束通过大气信道的过程，实时分析信道和激光光束参数的变化对传输质量的影响，并依据仿真结果提出改善大气激光通信质量的方法和途径，具有十分重要的现实意义和实用价值。

技术领域

本发明属于大气激光传输领域，尤其涉及到一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真方法及系统。

背景技术

从1960年激光诞生后，利用激光束作为信息载体实现带宽通信就成为人们追求的目标，以大气为传播介质的激光通信技术受到广泛关注，但受随机大气信道的影响，使大气激光通信系统的可靠性、经济性、传输距离和性能指标未能达到预期目标，所以在地面实现长距离激光通信逐渐降温，随着低损耗光纤的出现，光通信的研发重点向光纤通信转移。近年来，随着超稳激光器、新型光束控制器、高数据率接收器和适于空间应用的先进通信电子设备的研究基本成熟，和人们日渐增长的通信容量和保密性的需求，大气激光通信已经成为下一代通信的发展方向之一，大气光通信再度成为研究热点，并逐渐进入了商用化发展阶段。

大气激光通信随着其卓越的优势越来越受到重视，而其诸多悬而未决的问题仍然有很大的探索和研究空间。大气信道以其随机性和不确定性，其对激光光束的多重影响严重影响通信质量，所以大气随机信道的研究在大气激光通信领域占有十分重要的地位。通常，对大气随机信道的研究主要在实际大气环境中进行现场实验，虽然实验结果能够准确反映当时当地的大气信道特性，但是实验系统复杂，并且不同地区、不同时间、不同气候条件的结果差别很大，因此，从理论上建立大气激光通信信道模型，模拟激光光束通过大气信道的过程，实时分析信道和激光光束参数的变化对传输质量的影响，并依据仿真结果提出改善大气激光通信质量的方法和途径，具有十分重要的现实意义。

由于大气湍流效应对激光传输的影响占据了十分重要的位置，对通信质量的影响最为严重。故建立大气激光传输模型时，主要考虑大气湍流的因素。经过世界各国的研究学者近年来对大气信道的研究，已经总结建立了几何光学近似、Rytov方法、Markov近似、Feyman 图方法等多种理论模型，这些模型都是基于大气湍流的特性和光学传播理论建立的，这些模型尽管能在一定程度上模拟湍流信道，但其模型结构都十分复杂，不便于理解和实际应用。

发明内容

本发明针对模型结构都十分复杂，不便于理解和实际应用的缺点，提出了一种贝塞尔高斯光束在湍流大气中传输特性仿真方法和系统，可以非常直观的分析传输距离、湍流和激光的各项参数对接收光强的影响，包括模拟大气激光通信系统，其中大气激光通信系统包含发射端、接收端及湍流大气信道，发射端发射贝塞尔高斯光束后，贝塞尔高斯光束在湍流大气信道中传输，接收端接收贝塞尔高斯光束，并输出接收的光斑，其特征在于，包含以下步骤：

S1、获取贝塞尔高斯光束的波长λ，贝塞尔函数的阶数n，宽度参数a_B，高斯源的束腰半径α₀及聚焦参数F₀，构建贝塞尔高斯光束模型，发射端发射贝塞尔高斯光束；

S2、根据湍流的折射率结构常数判断湍流强度；当所述湍流为强湍流，当所述湍流为弱湍流；

S3、分别计算强湍流和弱湍流发射端上发射面的光强Is及接收端上的接收面的光强 Ir，合成发射面的光斑和接收面的不存在光强起伏的点形成的光斑；

S4、计算对数光强起伏方差：当光强为弱湍流时，根据得到弱湍流的对数光强起伏方差；当光强为强湍流时，根据得到强湍流的对数光强起伏方差；其中k为波数，L为发射端到接收端的传输距离；