[发明专利]大气湍流折射率结构常数路径廓线近似测量方法

说明书

本发明公开一种大气湍流折射率结构常数路径廓线近似测量方法。本方法把传输路径分成三段，即靠近收发端机A的一段、中间一段以及靠近收发端机B的一段，并用三个离散的随机相位屏来近似描述连续大气湍流。本方法通过测量双向传输信道的光波光强起伏和到达角起伏来获得各个随机相位屏的有效折射率结构常数，以此描述大气湍流折射率结构常数沿传输路径的大体变化特征，从而为光波大气传输工程系统设计提供参考。

技术领域

本发明属于大气信道光信号传输技术领域，涉及一种大气湍流折射率结构常数路径廓线近似测量方法。

背景技术

激光经大气湍流传输时会发生光强闪烁和到达角起伏等现象，它们通常会给激光大气传输工程系统造成负面影响。在设计激光大气传输工程系统之前，往往需要估计大气湍流影响程度。折射率结构常数是计算大气湍流传输光波统计量的一个关键参数。对于地面附近的水平传输来说，因为缺乏折射率结构常数的路径廓线数据，在进行理论计算时很多时候都只能假设折射率结构常数沿传输路径均匀分布(即沿传输路径不发生变化)。然而在实际大气环境中，通常折射率结构常数即使沿水平路径也会发生变化。为了研究各种理论计算结果的可靠性，有必要测量大气湍流折射率结构常数的路径廓线(即沿传输路径的变化曲线)。要精确地测量大气湍流折射率结构常数的路径廓线，可在传输路径的不同位置处放置一系列温度脉动仪，并根据各个位置处的温度脉动仪测量结果反演各个位置处的大气湍流折射率结构常数。然而，这种方法一方面成本高，另一方面实施起来比较麻烦。在很多情况下，只需要大气湍流折射率结构常数路径廓线的一个近似估计就可以对许多实际应用产生帮助。本发明公开一种在实现上很简单的大气湍流折射率结构常数路径廓线测量方法，可以很方便地获得大气湍流折射率结构常数路径廓线的近似估计。

如图1所示，收发端机A位于z＝0处，收发端机B位于z＝L处，收发端机A和收发端机B之间是大气湍流信道。根据SPIE出版社2010年出版的《Numerical Simulation ofOptical Wave Propagation with Examples in MATLAB》和安徽科学技术出版社2005年出版的《光在湍流大气中的传播》可知，从z＝0传到z＝L的球面波的对数振幅起伏方差为：

其中L表示传输距离，k＝2π/λ表示光波波数，λ表示光波波长，表示位置z处的大气湍流折射率结构常数；从z＝L传到z＝0的球面波的对数振幅起伏方差为：

从z＝0传到z＝L的球面波的到达角起伏方差为：

从z＝L传到z＝0的球面波的到达角起伏方差为：

其中D表示圆形接收孔径的直径。

如图1所示，用三个随机相位屏(即随机相位屏001、随机相位屏002和随机相位屏003)来近似描述连续大气湍流对光波传输产生的影响。根据式(1)至式(4)，可以得到如下结果：

其中和分别是随机相位屏001、随机相位屏002和随机相位屏003的有效折射率结构常数，可以用它们来近似地估计大气湍流折射率结构常数沿传输路径的变化。如果和近似相等，则大气湍流折射率结构常数沿传输路径近似不变。如果明显大于和则大气湍流折射率结构常数在传输路径中间位置取较大值。如果明显大于和则大气湍流折射率结构常数在靠近收发端机A的位置取较大值。如果明显大于和则大气湍流折射率结构常数在靠近收发端机B的位置取较大值。

可以把式(5)至式(7)写成如下矩阵和向量相乘的形式：

其中