【技术实现步骤摘要】
一种基于多层复数相位屏表征的远场激光大气传输仿真方法
本专利技术属于大气光学
,特别是一种基于多层复数相位屏表征的远场激光大气传输仿真方法。
技术介绍
大气对激光测距、激光通信、激光雷达、激光武器等应用会造成诸多影响。这些影响包括:大气气体分子、大气中悬浮的气溶胶粒子以及各种降水粒子(如:霾、云、雾、雨、雪、沙尘、烟尘等)对光波的散射和吸收引起的衰减效应;大气温度、气压和湿度等随机起伏造成的大气折射率随机波动,导致光束强度的起伏、光束的扩展和漂移等大气湍流效应;高能激光大气传输时产生的非线性效应(如热晕和气体击穿效应)。大气对激光传输的影响不仅会造成激光能量的衰减,还会引起激光光强的起伏,时间、空间相干性下降,从而导致激光器的效能降低,甚至无法正常工作。目前,人们已经对陆地大气环境中的激光传输特性进行了大量的研究,提出了不少理论模型与数值计算模型,试验经验模型等,但对于海洋大气环境激光传输模型的研究较少,模型中考虑的影响因素通常只有单个或少数,无法全面分析各种大气光学效应对激光传输特性的影响,如气溶胶的指数衰减模型、大气湍流的光强起伏模型、光斑漂移模型等。为了弄清激光在大气中的传输特性,学者们提出了许多的激光传输模型,根据适用条件大致分为三个方面:大气衰减、大气湍流、大气热晕。大气衰减研究混合介质中的光传播问题,即对辐射传输方程求解,将光强作为求解对象;大气湍流研究湍流介质中的光传播问题,即对波传播方程求解,将光场作为求解对象;大气热晕研究高能激光在大气介质中的光传播问题,即对流体力学的质量守恒、动能守恒、动量守恒方程和波传播方程求解,将大气密度作为 ...
【技术保护点】
1.一种基于多层复数相位屏表征的远场激光大气传输仿真方法,其特征在于,包括以下步骤:利用复数相位屏综合表征不同传输距离处的大气衰减、大气湍流和大气热晕三种大气光学效应;其中大气衰减由复数相位屏的虚部表征,其虚部值由Beer定律等效计算得到;大气湍流和大气热晕由复数相位屏的实部表征,其实部值由流体力学方程计算得到湍流和热晕引起的大气密度起伏并根据Gladstone‑Dale关系式间接计算得到;基于求得的复数相位屏,通过构建离散传输路径下的多层相位屏数值仿真方法,得到远场激光的功率密度分布,从而实现远场激光大气传输仿真过程。
【技术特征摘要】
1.一种基于多层复数相位屏表征的远场激光大气传输仿真方法,其特征在于,包括以下步骤:利用复数相位屏综合表征不同传输距离处的大气衰减、大气湍流和大气热晕三种大气光学效应;其中大气衰减由复数相位屏的虚部表征,其虚部值由Beer定律等效计算得到;大气湍流和大气热晕由复数相位屏的实部表征,其实部值由流体力学方程计算得到湍流和热晕引起的大气密度起伏并根据Gladstone-Dale关系式间接计算得到;基于求得的复数相位屏,通过构建离散传输路径下的多层相位屏数值仿真方法,得到远场激光的功率密度分布,从而实现远场激光大气传输仿真过程。2.根据权利要求1所述的基于多层复数相位屏表征的远场激光大气传输仿真方法,其特征在于,复数相位屏表示为:式(1)中,r表示垂直于传输方向横截面上两点间的距离,λ为激光波长,Δz为复数相位屏的厚度,n1(r,zi)表征传输距离zi处的大气湍流和大气热晕综合引起的折射率屏起伏,κ(λ,,zi)等效表征传输距离zi处的光强衰减系数;(1)κ(λ,,zi)的求解相邻复数相位屏间的激光光强由Beer定律给出:dI(r,zi)=-I(r,zi-1)μt(λ,zi)dz(2)其中,zi-1、zi分别为第i-1、i个复数相位屏与激光光源之间的传输距离;μt(λ,zi)为第i个复数相位屏的大气衰减系数;I(r,zi-1)、I(r,zi)分别为激光入射到zi-1、zi对应复数相位屏上的光强分布;式(2)积分得:I(r,zi)=I(r,zi-1)exp[-Δz·μt(λ,,zi)](3)式(3)中的大气衰减系数可由半经验公式计算得到:其中,V(λ)为大气能见度;联立式(1)、(3)、(4)可得到大气衰减系数为:(2)n1(r,zi)的求解大气密度起伏与大气流体特性的质量守恒、动量守恒和能量守恒的流体力学方程组相关;其中,ρ为大气介质的密度;P为大气压强;v为大气介质速度;γ=CP/CV为流动的定压比热和定容比热之比;μabs表示大气吸收系数;T为大气温度;I为光强;f(T)为与大气温度脉动有关的扰动能量;将大气介质的密度,压力和速度分别表示为平均量和一阶起伏量的和,ρ=ρ0+ρ1,P=P0+P1,v=v0+v1,其中ρ0、ρ1分别为大气介质密度的平均量和一阶起伏量,P0、P1分别为大气介质的压力平均量和一阶起伏量,v0、v1分别为大气介质的速度平均量和一阶起伏量;线性化的方程组并以真微分的形式写为:式(11)中,cS为定义的风速在等压近似下,略去P1则可得:式(12)的解为:其中,F(T)为f(T)关于时间t的积分,表示温度T下的大气分子内能扰动量;依据流体介质折射率与密度的...
【专利技术属性】
技术研发人员:杨云涛,冷坤,武文远,黄雁华,龚艳春,章曦,
申请(专利权)人:中国人民解放军陆军工程大学,
类型:发明
国别省市:江苏,32
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