[发明专利]一种海洋上空环境下的非均匀路径大气相位屏分布法

说明书

本发明公开了一种海洋上空环境下的非均匀路径大气相位屏分布法，包括利用测量数据得到海洋上空环境下的大气湍流廓线，即大气折射率结构常数模型；基于海洋上空环境下的大气折射率结构常数模型，采用等Rytov指数间隔与均匀间隔混合法，得到非均匀大气湍流相位屏的分层标准，实现对不同湍流起伏区域的充分采样。本方法提升了激光通信系统的链路完整性和可靠性；采用等Rytov指数间隔与均匀间隔混合的方法对相位屏进行合理分层，获取湍流结构常数模型具有多样性，可通过实测数据、引用现有数据等多种方法的一种获得；同时，根据传输介质折射率起伏情况决定分层间隔，这对于精确建立完整的通信链路，并对其进行合理化建模有着关键作用。

技术领域

本发明涉及海洋、大气光通信信道研究领域，具体是一种海洋上空环境下的非均匀路径大气相位屏分布法。

背景技术

实际大气信道环境中，大气湍流是影响光通信系统性能指标的重要因素之一。光束在大气中传输时受到湍流的影响发生相位畸变，从而引起光强起伏、光斑漂移和光束扩展等湍流效应，严重影响通信系统的性能。目前的研究结果表明，传输光束波前的相位起伏可以表征湍流的性质，因此，将传输路径上的大气湍流等效为相位屏，多层相位屏模拟大气湍流中的光传播是将连续的随机介质用一系列间隔为Δz的相位屏来代替，光束经多层相位屏后最终到达终点接收面，那么光斑的变化情况就反映了光束在湍流介质中的传输特性。

对于光束在非均匀湍流路径中的传播，湍流强度在垂直链路具有明显分层结构且随高度剧烈变化，如何在垂直方向上合理设置相位屏位置是当前关键问题之一。当前近地面水平链路的相关理论和技术研究工作已经比较完善，对湍流效应的理解和运用也更多地基于内陆地区水平链路的研究结果。与陆地大气光学湍流测量相比，海洋环境下复杂的湍流测量技术导致其上空相关气象数据获取十分困难，准确估算海洋环境下的大气光学湍流强度也受到了很大限制。同时，由于垂直光链路本身具有较高的复杂性，导致星地链路、空地链路以及跨介质海洋大气上行通信链路等的研究比较少。垂直链路区别于水平链路的最大特点是表征湍流强度的折射率结构常数随高度变化，而且在整个传播路径上分布极不对称，这不仅给垂直链路的研究增加了难度，也造成垂直链路的光束传输特性与水平链路有很大差异。为了更准确地反映湍流的实际特征，在非均匀随机介质光传播的数值模拟中，设置非均匀间隔的相位屏以真实反映传播路径上的随机介质起伏状况至关重要。对于光传播的随机介质，在折射率起伏均匀的情况下，可以设置等间隔相位屏；但在折射率起伏非均匀的路径中，若仍采用等间隔的相位屏分布会造成强起伏区不能被充分采样，弱起伏区过度采样的问题。这时数值模拟就不能真实地反映光束的传播过程，还会由于设置相位屏数目的主观因素增加仿真结果的不确定性以及不必要的计算量。因此，在随机起伏的非均匀湍流介质光传播模拟中，根据大气湍流强弱大小设置不同间隔相位屏及结合光传播距离设置相位屏数目至关重要。

发明内容

在非均匀湍流介质光传播的数值模拟过程中，为了减小垂直链路相位屏间湍流强度均匀假设时所引起的模拟误差以及构建海洋应用场景下所需要的大气光学湍流模式，本发明依据海洋上空的气象观测数据得到海洋环境下的大气折射率结构常数模型，提出了一种基于海洋大气混合环境下的垂直链路大气相位屏分布方案，提供一种海洋上空环境下的非均匀路径大气相位屏分布法，以真实地反映传播路径上的大气湍流起伏状况。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种海洋上空环境下的非均匀路径大气相位屏分布法，包括如下步骤：

S1，利用测量数据得到海洋上空环境下的大气湍流廓线，即大气折射率结构常数模型；

S2，基于海洋上空环境下的大气折射率结构常数模型，采用等Rytov指数间隔与均匀间隔混合法，得到非均匀大气湍流相位屏的分层标准，实现对不同湍流起伏区域的充分采样。

S3，建立基于海洋上空环境下的非均匀大气湍流传播路径的光传输模型。