[发明专利]一种基于谱反演法的离散雨滴介质的相位屏建模方法

说明书

本发明涉及一种基于谱反演法的离散雨滴介质的相位屏建模方法，属于离散雨滴介质相位屏建模领域。为了解决现有的离散雨滴介质的相位屏模型对光场信息的描述不完全，不符合虚拟试验的要求，未考虑雨滴对于光场的相位扰动的缺点，而提出一种基于谱反演法的离散雨滴介质的相位屏建模方法，包括：获取雨滴粒子的散射势能；得到经傅立叶变换后的散射势能；通过经傅立叶变换后的散射势能得到散射势能的近似值；通过公式表示雨滴粒子介电常数的二阶相关矩三维功率谱函数；通过公式表示雨滴的介电常数功率谱；通过公式表示雨滴介质折射率二阶相关矩功率谱；根据谱反演法获得传输路径上混合介质的相位屏模型；本发明适用于激光在雨中传输的仿真模型。

技术领域

本发明涉及一种基于谱反演法的离散雨滴介质的相位屏建模方法，属于离散雨滴介质相位屏建模领域。

背景技术

由于大气介质介电常数的变化，激光束在大气中传输的光波波前会受到随机相位扰动的影响。这些相位扰动主要由湍流和浑浊介质所造成，同时单个粒子的散射也会伴随一定程度的衰减。因此在虚拟试验中，针对由低散射介质所构建的大气空间，激光传输模型需要给出目标平面包括振幅和相位在内的全部光场信息。在低散射特性的介质中，降雨是一种最主要的造成激光功率衰减并引起波前相位扰动的大气介质。

目前，对于降雨影响激光束传播的研究工作大多集中在讨论降雨的衰减效应上。前期研究仅考虑遮挡效应得到激光在雨中传输的衰减模型，之后有文献结合Mie理论和M-P雨滴谱分布，分析了雨滴粒子尺度和激光波长与消光系数之间的关系，推导得到了不同波长激光的衰减系数与降雨强度之间的内在关系。

然而上述现有技术的方法均着眼于考虑降雨对激光传输的衰减作用，对光场信息的描述不完全，不符合虚拟试验的要求。而且即使一些研究中得到了目标平面的光场分布，但并未考虑雨滴对于光场的相位扰动。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的离散雨滴介质的相位屏模型对光场信息的描述不完全，不符合虚拟试验的要求，未考虑雨滴对于光场的相位扰动的缺点，而提出一种基于谱反演法的离散雨滴介质的相位屏建模方法包括如下步骤：

步骤一：获取在位置r处的雨滴粒子相对于在位置R_j处雨滴粒子的散射势能V(r)；

步骤二：使用傅立叶变换表示雨滴粒子的散射势能V(r)，得到经傅立叶变换后的散射势能V₀(r)；

步骤三：通过经傅立叶变换后的散射势能V₀(r)以及单个散射粒子的散射幅度函数f₀(K)，并结合Born近似方法，得到：

其中f₀(K)表示平面波经过一个半径为a的粒子后其散射振幅的空间频谱，为散射势能的近似值；

步骤四：通过公式表示雨滴粒子介电常数的二阶相关矩三维功率谱函数

其中，ε_p(r)为雨滴粒子的介电常数，为雨滴粒子介电常数的伴随矩阵，r₁和r₂为任意的两个径向距离；

步骤五：通过公式表示雨滴的介电常数功率谱：

其中，p(a,J)是雨滴尺度谱分布，与降雨强度参数J有关，降雨强度的单位为mm/h，表示每小时在单位面积上的降雨厚度，为f₀(K)的伴随矩阵；

步骤六：根据介电常数与折射率的关系结合降雨的尺度谱，通过公式表示雨滴介质折射率二阶相关矩功率谱：

其中a_m是雨滴的平均粒子半径；