[发明专利]用于光斑定位的时变湍流位相屏快速模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及空间激光通信，特别是一种激光通信链路跟瞄过程中用于光斑定位的时变湍流位相屏的快速模拟方法。

背景技术

空间光学载荷的研究是一项高风险，高投入，高度复杂而又高精度的系统工程，为保证空间光学载荷成像性能，必须在地面进行深入可靠的理论研究及物理仿真验证试验。现阶段，随着天文成像，激光雷达，激光通信及遥感探测等的迅速发展，大气湍流对光传输的影响越来越得到人们的重视，因此，有必要对大气湍流的特性及其对光束的影响做理论分析和近似模拟，以便于对实际情况进行指导和预测。

捕获，瞄准，跟踪(Acquisition Pointing Tracking，APT)是空间光通信的关键技术之一，通信系统中信号光束和信标光束同轴发射，当信标光束光斑质心偏离激光接收端探测器视场中心时，实现对信标光束的捕获，瞄准，跟踪，将光斑质心很好地控制在误差允许范围之内，保证信标光束上数据信息的可靠传输。但整个通信链路在大气中进行，因此大气湍流造成的光波振幅改变和相位起伏等效应最终会在接收端探测器上形成散斑等效应，从而给信标光束光斑质心的定位带来了困难，继而影响通信链路的顺利持续链接以及整个通信过程的实现。

激光束在大气介质中传输时其位相和振幅均受到大气湍流的调制，对于这方面的影响，目前普遍采用的研究方法是利用能体现大气湍流特性的随机位相屏来近似模拟大气湍流效应，并进而利用质心坐标公式对模拟得到的光斑进行计算统计，依此来定量分析散斑效应对APT检测精度误差的影响。而对于如何构造随机位相屏以及构造怎么样的随机位相屏这方面的讨论现在一般都是从Kolmogorov湍流理论条件出发，假定湍流的功率谱密度都是符合Kolmogorov谱的，然后通过数值模拟的方法来构造能近似体现湍流特性的随机位相屏[参见“光波在大气中的传输与成像”，张逸新，迟泽英编著，国防工业出版社1997，第13页-17页]。主要方法有逆傅里叶变换法，基于分形理论的协方差矩阵法以及泽尼克多项式法。

在先技术[1](参见B.L.McGlamery，Proceedings of the Society ofPhoto-Optical Instrumentation Engineers，vol.74.Image Processing，225-233(1976))中，所描述的方法在频率域里面对一复高斯噪声矩阵用大气湍流的功率谱进行滤波，然后再进行逆傅里叶变换得到模拟大气湍流的位相屏。这一方法实现起来简单可行，特别是在进行时变湍流近似模拟的时候，由于变换速度快，只需利用循环，每次重新生成新的相位屏即可模拟时变湍流。但这种方法存在一个问题，即受模拟位相屏尺寸大小和采样频率的限制造成低频成分的丢失，它不能很好的体现湍流的低频特性，得到的随机位相屏的位相结构函数与理论比较在低频部分存在较大偏差[参见R.G.Lane et al.，Waves Random Media2，209-224(1992)]。

在先技术[2](参见E.M.Johansson，and D.T.Gavel，Proc.SPIE 2220，372-383(1994))中，所描述的方法是在在先技术[1]的基础上进行的改进，引入了低频子谐波信息的方法来解决逆傅里叶变换法不能体现大气湍流低频特性的问题，得到了较为满意的结果。但由于子谐波信息的引入，做模拟计算的时候，生成位相屏的时间大大延长了，而模拟时变湍流的时候，如果我们在每次光斑定位探测时重新生成一次位相屏，那么这个模拟非常耗时，这对于理论模拟来说是相当不利的。

发明内容

本发明要解决的问题在于提供一种空间激光通信中时变湍流的快速近似模拟方法。该方法模拟过程节省了大量时间.该方法具有简便、快速且效果好的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种空间激光通信的用于光斑定位的时变湍流位相屏快速模拟方法，其特点在于利用逆傅里叶变换法，结合子谐波的方法生成模拟柯尔莫戈洛夫湍流的随机位相屏，通过接收孔径相对于位相屏的移动，使位相屏的不同部分依次通过接收孔径来近似地模拟湍流的运动。

该模拟方法具体包括下列步骤：

①利用逆傅里叶变换法，先生成一复高斯随机矩阵，然后将其与Kolmogorov湍流功率谱的平方根相乘滤波，再利用离散逆傅里叶变换生成代表随机位相屏的矩阵：