[发明专利]用于模拟大气湍流相位屏的最优谐波次数选取方法

说明书

一种用于模拟大气湍流相位屏的最优谐波次数选取方法，用于提高最优谐波次数选取的准确度。其技术方案是，所述方法首先设置初始条件并选取综合功率比值，然后根据初始条件和综合功率比值计算出初步的最优谐波次数，最后根据实际情况对初步的最优谐波次数进行近似取整，得到最终的最优谐波次数。本发明利用初始条件和综合功率比值确定最优谐波次数，不仅计算时间短，而且能够根据实际情况快速准确地选取所需的最优谐波次数。本发明方法既适用于von Kármán相位功率谱密度模型，也适用于修正的von Kármán相位功率谱密度模型，可为大气湍流效应的研究提供便利条件。

技术领域

本发明涉及一种大气湍流技术领域，特别是一种利用次谐波法模拟大气湍流相位屏时使用的、用于选取最优谐波次数的方法，属于测量技术领域。

背景技术

自由空间光通信由于具有大带宽、无需频率许可、传输速率快、易于安装架设等优点，使得其在无线传感、航海航天、城市局域网等领域中得到了广泛的应用。但由于大气湍流会引起激光的光强和相位的起伏，导致自由空间光通信性能严重下降甚至造成通信链路中断，因此有必要对大气湍流效应进行研究。

目前，研究和模拟大气湍流的方法主要有实验分析法、理论分析法和数值模拟法，其中数值模拟法由于简单易实现，因此应用最为广泛。数值模拟法研究大气湍流效应的核心是采用随机相位屏来模拟大气湍流效应，如基于快速傅里叶变换(Fast FourierTransform,FFT)的谱反演法、基于正交多项式的Zernike多项式法、基于随机中点位移的分形法、基于随机数据元扩展的生成法以及基于小波分析的多尺度法。由于谱反演法具有计算速度快、对不同形式的大气湍流谱模型均适用的优点，使其成为最常用的相位屏模拟方法之一，特别是其中的次谐波法。利用次谐波法生成相位屏的准确性与谐波次数有关，随着谐波次数的增加，生成的相位屏也越来越准确。但是，当谐波次数超过一定数值后，相位屏的准确性不再明显提高，继续增加谐波次数只会增加仿真时间，甚至会发生数值变化，因此谐波次数存在最优值。目前，关于如何准确地确定最优谐波次数的研究还很少，早期模拟大气湍流相位屏时，添加多少次谐波没有依据，如在模拟Kolmogorov相位屏时，Lane等人添加了5次谐波，而Sedmak却添加了10次谐波。后来，Sedmak研究了谐波次数与相位屏尺寸及大气湍流外尺度之间的关系，给出了一些非定量的实用评估标准。随后，Marcel Carbillet对其进行了改进，定义了两种定量评估标准——综合功率比和结构函数比，但综合功率比只适用于von Kármán这一种谱模型，而利用结构函数比得到的结果是一个大概值，不够准确。

从上述研究可以看出，次谐波模拟大气湍流相位屏的可行性和有效性毋庸置疑，但在生成相位屏时，如何准确地选取最优谐波次数仍然存在问题，准确度稍显不足。因此有必要设计新的最优谐波次数选取的评估标准，提高最优谐波次数选取的准确度，从而能够生成准确的大气湍流相位屏。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种用于模拟大气湍流相位屏的最优谐波次数选取方法，以提高最优谐波次数选取的准确度。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种用于模拟大气湍流相位屏的最优谐波次数选取方法，所述方法首先设置初始条件并选取综合功率比值，然后根据初始条件和综合功率比值计算出初步的最优谐波次数，最后根据实际情况对初步的最优谐波次数进行近似取整，得到最终的最优谐波次数。

上述用于模拟大气湍流相位屏的最优谐波次数选取方法，所述方法的具体步骤为：

a.设置初始条件，选择综合功率比值α_Φ：

①初始条件包括：相位屏的尺寸D、大气湍流外尺度L₀；

②选择综合功率比值，α_Φ的取值范围为[0,1]；