部分相干反常涡旋光束在各向异性湍流大气中传输的仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种部分相干反常涡旋光束在各向异性湍流大气中传输的仿真方法。本发明专利技术步骤：1、获取部分相干反常涡旋光束在柱坐标下，在源平面处的电场强度表达式；2、将电场强度表达式分解为不同螺旋谐波叠加的形式；3、通过广义各向异性von

【技术实现步骤摘要】
部分相干反常涡旋光束在各向异性湍流大气中传输的仿真方法


[0001]本专利技术属于涡旋光通信
，涉及一种部分相干反常涡旋光束在各向异性湍流大气中传输的仿真方法。

技术介绍

[0002]含有轨道角动量的涡旋光束有一个相位项exp(imφ)，其中m称为轨道角动量数。理论上，m可以取任何整数值，携带不同轨道角动量的涡旋光束是相互正交的。因此相对于传统的二进制编码，光束的轨道角动量编码能够有效地提高数据传输容量。
[0003]这激发了人们使用涡旋光束作为信息载体，并将其应用于自由空间光通信领域。以摆脱通信资源日益紧张的困境。然而，当涡流光束在大气中传播时，大气中的气体分子、气溶胶和悬浮颗粒等会对光束产生吸收、散射作用等，这将导致输入模式功率在相邻的轨道角动量模式上扩散、引起光波强度的波动、误码率的增加和通信系统信道容量的降低。
[0004]反常涡旋光束在许多领域具有独特的优势，包括光通信、激光雷达检测和光学捕获等。在自由大气中(距离地面2公里以上)，光学湍流大多是非均匀和各向异性的。可以使用广义各向异性von
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Karman谱可以模拟自由大气中湍流的状态。此外，在实际的光学系统中，激光束实际上是部分相干光。因此研究部分相干反常涡旋光束在各向异性湍流大气中传输对无线光通信的研究具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是基于广义各向异性von
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Karman谱和Rytov近似，以部分相干反常涡旋光束为研究载体，给出一种部分相干反常涡旋光束在各向异性湍流大气中传输的仿真方法，从而获得不同参数情况下部分相干反常涡旋光束在接收端的接收概率变化曲线图。
[0006]本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是建立部分相干反常涡旋光束在各向异性湍流大气中的传输模型，具体实现包括：
[0007]步骤1、获取部分相干反常涡旋光束在柱坐标下，在源平面处的电场强度表达式；
[0008]步骤2、将电场强度表达式分解为不同螺旋谐波叠加的形式；
[0009]步骤3、通过广义各向异性von
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Karman谱，设置不同各向异性参数的大气湍流，得到各向异性大气湍流中球面波的空间相干长度；
[0010]步骤4、通过积分化简，整理得到部分相干反常涡旋光束轨道角动量的概率密度；
[0011]步骤5、通过部分相干反常涡旋光束轨道角动量的概率密度，得到轨道角动量谱表达式，并求出该能量占总能量的比例；利用轨道角动量谱表达式获取从发射端传输到接收端的信号轨道角动量的接收概率。
[0012]步骤6、画出信号轨道角动量的接收概率随光源参数和各向异性湍流参数变化的曲线图。
[0013]本专利技术有益效果实现如下：
[0014]本专利技术通过对传输模型进行数值模拟，详细说明光束参数和湍流参数对部分相干反常涡旋光束传输特性的影响。
[0015]本专利技术根据接收端的接收概率变化曲线图，调整部分相干反常涡旋光束的轨道角动量模式数、径向指数、部分相干长度，得到最适宜传输的部分相干反常涡旋光束的参数。本专利技术根据曲线图中接收概率变化的趋势，得到轨道角动量模式数越大、径向指数越小、部分相干长度越大的反常涡旋光束，其抵抗湍流的能力越强。研究结果可有效降低大气湍流对反常涡旋光束通信的干扰，提高无线光通信的性能。
附图说明
[0016]图1部分相干反常涡旋光束在各向异性湍流大气中传输的数值算法流程图。
[0017]图2为本专利技术的部分相干反常涡旋光束的接收概率随初始轨道角动量模式数和径向指数变化曲线图；
[0018]图3为本专利技术的部分相干反常涡旋光束的接收概率随初始部分相干长度变化曲线图；
[0019]图4为本专利技术的部分相干反常涡旋光束的接收概率随湍流各向异性参数变化曲线图。
具体实施方式
[0020]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。
[0021]本专利技术求解各向异性湍流对反常涡旋光束传输的影响问题，也就是反常涡旋光束在湍流中产生串扰的问题。采用广义各向异性von
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Karman谱模拟各向异性湍流大气湍流，构建螺旋谱的表达式，建立涡旋光束轨道角动量模型，得到信号轨道角动量接收概率随湍流参数变化曲线图。根据曲线图中接收概率变化的趋势，我们可以知道，轨道角动量模式数越大、径向指数越小、部分相干长度越大的反常涡旋光束，其抵抗湍流的能力越强。研究结果可有效降低大气湍流对反常涡旋光束通信的干扰，提高无线光通信的性能。
[0022]本专利技术具体实现包括：
[0023]步骤1、获取部分相干反常涡旋光束在柱坐标下，在源平面处的电场强度表达式；
[0024]步骤2、将电场强度表达式分解为不同螺旋谐波叠加的形式；
[0025]步骤3、通过广义各向异性von
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Karman谱，设置不同各向异性参数的大气湍流，得到各向异性大气湍流中球面波的空间相干长度；
[0026]步骤4、通过积分化简，整理得到部分相干反常涡旋光束轨道角动量的概率密度；
[0027]步骤5、通过部分相干反常涡旋光束轨道角动量的概率密度，得到轨道角动量谱表达式，并求出该能量占总能量的比例；利用轨道角动量谱表达式获取从发射端传输到接收端的信号轨道角动量的接收概率。
[0028]步骤6、画出信号轨道角动量的接收概率随光源参数和各向异性湍流参数变化的曲线图。
[0029]进一步的，如图1所示，步骤1所述的反常涡旋光束的电场强度表达式可以在柱坐标中表示为：
[0030][0031]上式中，ρ是径向坐标，φ是角向坐标，m是轨道角动量模式数，n是径向指数，是连带拉盖尔多项式，是接收平面处的波束半径,ω0是束腰宽度，瑞利长度。
[0032]进一步的，步骤2所述的将电场强度表达式分解为不同螺旋谐波叠加的形式，具体实现如下：
[0033]光束在湍流中的传播受到随机振幅和相位波动的影响。Rytov近似法适用于弱湍流起伏区，此时湍流引起的强度起伏或闪烁小到可以忽略不计。在这种近似下，湍流对光束的累积效应可以被认为是纯相位扰动。因此穿过各向异性湍流大气，在距离z平面的接收端接收到反常涡旋光束的电场强度可以表示为：
[0034][0035]其中，代表由湍流大气引入的随机相位扰动，而是各向异性非Kolmogorov湍流大气中球面波的复相位扰动。
[0036]当部分相干反常涡旋光束在湍流中传播时，它受到折射率波动的干扰，导致轨道角动量模式之间的串扰，换句话说，轨道角动量模式将传播到相邻的模式中，而不是保持单一的原始模式。为了全面了解湍流扰动后的轨道角动量概率密度或螺旋谱，可将部分相干反常涡旋光束的场分布分解为多个轨道角动量模式的叠加：
[0037][0038]其中系数由积分给出
[0039][0040]进一步的，步骤3所述的得到各向异性大气湍流中球面波的空间相干长度，具体实现如下：
[0041]ρ0是各向异性非Kolmogoro本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.部分相干反常涡旋光束在各向异性湍流大气中传输的仿真方法，其特征在于基于广义各向异性von
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Karman谱和Rytov近似，给出求解各向异性湍流中部分相干反常涡旋光束传输的数值算法，获得轨道角动量接收概率随湍流参数变化曲线图，具体实现步骤如下：步骤1、获取部分相干反常涡旋光束在柱坐标下，在源平面处的电场强度表达式；步骤2、将电场强度表达式分解为不同螺旋谐波叠加的形式；步骤3、通过广义各向异性von
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Karman谱，设置不同各向异性参数的大气湍流，得到各向异性大气湍流中球面波的空间相干长度；步骤4、通过积分化简，整理得到部分相干反常涡旋光束轨道角动量的概率密度；步骤5、通过部分相干反常涡旋光束轨道角动量的概率密度，得到轨道角动量谱表达式，并求出该能量占总能量的比例；利用轨道角动量谱表达式获取从发射端传输到接收端的信号轨道角动量的接收概率；步骤6、画出信号轨道角动量的接收概率随光源参数和各向异性湍流参数变化的曲线图。2.根据权利要求1所述的部分相干反常涡旋光束在各向异性湍流大气中传输的仿真方法，其特征在于步骤1所述的反常涡旋光束的电场强度表达式可以在柱坐标中表示为：上式中，ρ是径向坐标，φ是角向坐标，m是轨道角动量模式数，n是径向指数，是连带拉盖尔多项式，是接收平面处的波束半径,ω0是束腰宽度，瑞利长度。3.根据权利要求2所述的部分相干反常涡旋光束在各向异性湍流大气中传输的仿真方法，其特征在于步骤2所述的将电场强度表达式分解为不同螺旋谐波叠加的形式，具体实现如下：穿过各向异性湍流大气，在距离z平面的接收端接收到反常涡旋光束的电场强度表示为：其中，代表由湍流大气引入的随机相位扰动，而是各向异性非Kolmogorov湍流大气中球面波的复相位扰动。为了全面了解湍流扰动后的轨道角动量概率密度或螺旋谱，将部分相干反常涡旋光束的场分布分解为多个轨道角动量模式的叠加：
其中系数由积分给出：4.根据权利要求3所述的部分相干反常涡旋光束在各向异性湍流大气中传输的仿真方法，其特征在于步骤3所述的得到各向异性大气湍流中球面波的空间相干长度，具体实现如下：ρ0是各向异性非Kolmogorov湍流中球面波传播的空间相干长度，由下式给出：其中，Φ
n
(κ)代表各向异性非Ko...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷智慧，欧军，池灏，李齐良，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：