[发明专利]一种面向无线激光通信的单层相位屏仿真方法

说明书

本发明公开了一种面向无线激光通信的单层相位屏仿真方法。该方法采用单层相位屏模拟大气湍流扰动的方案，降低计算复杂度，节省计算时间；针对在仿真中如何加入跟瞄误差的影响，提出了基于跟瞄误差的随机概率分布生成随机误差偏移的方法，从而可仿真模拟跟瞄误差影响下经大气传输后的散斑光场分布情况，进而通过统计散斑光场分布对平均光强分布、光强起伏概率密度函数等性能指标进行理论验证。本发明在传统相位屏仿真方法中加入跟瞄误差的影响，结合单层相位屏仿真方法，高效精确地对实际应用场景中的激光大气传输过程进行了仿真模拟，有助于降低外场实验成本，对新理论和新模型做快速验证。

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体来说涉及一种面向无线激光通信的单层相位屏仿真方法。

背景技术

无线光通信技术以其信息容量大、传输速率高、系统功耗低、通信保密性高以及抗干扰抗截获能力强等优势在海洋、陆地、天空等应用领域上被广泛使用并有望成为未来6G通信的关键技术。SpaceX公司在最新发射的Starlink卫星上配备了及光链路，Google和Facebook分别使用热气球和无人机实施无线光接入网计划，为偏远地区提供快速无线光网络服务。

激光在大气传输过程中其折射率大小发生改变从而产生畸变使得光束相干性被破坏同时造成波阵面失真，进一步导致闪烁影响无线激光通信系统的通信性能。所以开展激光大气传输特性的研究对于分析无线激光通信性能有着重要意义。相位屏仿真作为一种数值仿真方法以其参数可控、统计量便于分析等特点成为研究激光大气传输特性的重要手段。

研究中通常用随机相位屏来模拟大气湍流引起的相位扰动，根据相位屏产生方式的不同分为功率谱反演法和Zernike多项式法。Zernike多项式法与湍流导致的波前畸变直接相关，特别用于自适应光学和具有波前畸变校正的无线激光通信系统；功率谱反演法涉及到湍流导致的光场辐照度扰动和波前畸变，通常被用于无线激光通信系统的研究中。激光大气传输的仿真模拟的常用方法是分步传输法，即将整段传输距离视为真空中放置了一系列无限薄的相位屏，这种仿真方法与激光大气传输物理过程一致且能正确反映激光传输后的变化规律，但是不能保证与理论结果的一致性。Andrews提出的基于波动理论的Rytov近似，将随机相位平放置在距发射端0.36倍传输距离的位置上能使得仿真结果与理论结果很好对应并使仿真过程更方便快捷。

然而，目前各种激光大气传输仿真中都没有考虑跟瞄误差对无线激光通信系统性能的影响。由于无线激光通信链路的建立和维持需要瞄准、捕获、跟踪系统(ATP系统)的参与，ATP系统在工作中产生的光电探测器噪声和平台振动的残留噪声最终形成跟瞄误差。跟瞄误差会导致发射光束指向方向的随机偏移，进而影响长周期平均光强分布、光强起伏概率密度函数以及链路性能。

综上所述，综合考虑跟瞄误差和大气湍流的影响建立新的无线激光通信传输特性仿真模拟环境对于分析无线激光通信系统性能有着迫切的需求，设计一种面向无线激光通信的单层相位屏仿真方法的需求十分迫切。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供了一面向无线激光通信的单层相位屏仿真方法。该方法包括步骤：

采用功率谱反演法生成模拟大气湍流扰动的单层随机相位屏，产生的相位扰动为φ(x,y)；

预设整个激光传输距离为L，将所述相位扰动φ(x,y)放置在距放射端0.36L处；

发射端初始光场U₀(x,y,0)先经过真空传输0.36L后乘以这一段传输距离的相移因子H₁；

激光穿过单层相位屏后得到相位被破坏的散斑形态；

激光继续经过真空传输0.64L后乘以这一段传输距离的相移因子H₂得到最终的接收端光场U(x,y,L)。

可选的，步骤采用功率谱反演法生成模拟大气湍流扰动的单层随机相位屏包括：