文摘
光的空间(无线光通信)通信系统,激光光束的空间相干性很明显,它在大气中传播的影响。这种损失的空间相干性限制的程度激光束平行或集中,导致显著降低光学通信和雷达系统的功率。在这个工作中,波结构函数的解析表达式通过各向异性平面和球面波传播non-Kolmogorov动荡水平路径。此外,空间相干性半径的新表达式得到了考虑不同尺度的大气湍流。使用新获得的表达式的空间相干半径,内在尺度的影响和湍流外尺度的幂律指数和各向异性因子进行了分析。分析仿真结果表明,波结构函数幂律指数影响很大 ,各向异性系数 ,湍流强度 ,和湍流尺度。此外,空间相干性半径也显著各向异性的影响因素和湍流强度 ,虽然它们轻轻地幂律指数的影响和光学波的内在尺度。
1。介绍
近年来,交通由电信网络增长显著,尤其是无线网络。无线数据的普及和移动互联网比任何人想象的要快得多,它能增强语音通信和更丰富的多媒体内容。移动数据流量和移动服务范围增加了许多数量级从2010年到2020年(1]。这是一个重要的主题的第六代(6克)无线通信。6 g通信、光学无线通信(油水界面)技术有很多优势在频谱,安全,和传输速率,可以作为潜在的替代和补充无线电frequency-based无线通信技术。油水界面技术提供一个基本的组合提供光学高速服务所需的各种优势骨干网络。它提供了一个未经授权的频谱,几乎无限制的数据率、低成本的开发和安装方便(2]。另一方面,地面点对点油水界面系统,也称为空间光学(无线光通信)通信系统,在近红外频率工作。光束传播引起的大气湍流在无线光通信通信系统占有非常重要的地位,因为它决定了接收机功率损失的飞机(3]。对于光学波传播,经典的柯尔莫哥洛夫模型已广泛应用于理论研究由于其简单的数学形式3- - - - - -5]。多年来,柯尔莫哥洛夫模型扩展和几个non-Kolmogorov湍流模型提出了(6- - - - - -13]。Toselli et al。6)就是其中之一,他们分析了到达角起伏通过使用广义指数的因素而不是标准的指数11/3价值。各向异性因子也用于描述大气湍流的各向异性(7),广义non-Kolmogorov卡门的频谱各向异性大气湍流是可用的(8- - - - - -10]。此外,也有许多研究梁游荡,空间相干性,时间频率传播,到达角起伏(14- - - - - -21),所有相关的随机波动光学波通过随机的媒体传播。
最近,更多的研究的注意力被吸引到波结构函数的理论调查(WSF)长调制传递函数(MTF)和空间相干性半径(SCR) [22- - - - - -29日]。基于Rytov近似方法,像年轻的研究员提出的新表达式wsf光学波,适合温和的强烈波动机制(22,23]。陆等人有派生新的表达式wsf和平面波和球面波传播通过在所均匀和各向同性海洋湍流(25]。此外,崔等人考虑湍流尺度和派生了长mtf的平面波和球面波传播通过各向异性non-Kolmogorov大气湍流(26,27];Kotiang和崔和关等人也通过各向同性高斯波传播的新长MTF non-Kolmogorov大气湍流,湍流各向异性海上28,29日]。
在这项研究中,我们得到新的WSF和可控硅表情平面波和球面波在各向异性传播non-Kolmogorov大气湍流。这里,使用广义卡门模型将各向异性的因素 。在仿真分析中,使用新派生WSF和可控硅表情,内在规模和外在的影响涡流的规模大小。除了幂律指数的影响,湍流强度和各向异性因子,这些都是影响参数wsf在所,也仔细分析。
2。各向异性Non-Kolmogorov频谱与内部和外部鳞片
Stribling et al。30.)开发了一个在non-Kolmogorov湍流功率谱的幂律谱折射率波动3点到4点是不同的。这个功率谱,我们称之为传统的各向同性non-Kolmogorov光谱: 在哪里是伽马函数,是空间波数,是幂律指数,是广义结构参数作为单位。这个函数之间的一致性维护索引结构函数和功率谱。
Toselli (7)提出了一种新的功率谱通过引入一个有效的各向异性参数 。当有non-Kolmogorov幂律和各向异性沿着传播方向,模拟光学湍流是很有帮助的。此外,大气湍流各向异性的概念在不同的尺度上介绍:
在哪里是各向异性的因素; 和是外尺度参数; 和是内心的尺度参数; 和 , ,和的组件在 方向;和
在这种情况下,方程(2)可以被定义为一个(6),它是由广义卡门相乘模型的各向异性因子 。得到的表达式,然后将修改后的各向异性non-Kolmogorov功率谱,并定义如下(31日]: 在哪里 和 。
3所示。波结构函数的表达式
为了评估性能的光学波结构功能和空间相干性半径在大气湍流中,我们需要得到光学波的波结构功能。在本文中,我们首先推导出波结构平面波和球面波的函数,然后利用这些方程推导他们空间相干半径。
3.1。平面波的结构函数
WSF的光学波在各向同性湍流non-Kolmogorov传播提出了(3),它可以用来计算空间相干光波的半径;公式如下所示: 在哪里 平面波结构功能; 球面波结构功能;是一个标量分离2 d平面两点间的距离; 是光学波数; 和是路径长度;是传播距离;和是零级第一类贝塞尔函数。
在本文中,方程(3)作为各向异性non-Kolmogorov功率谱的表达式推导的新一波结构光学波函数表达式。然后,方程(4)和(5)可以改写如下:
用方程(3)方程(6)和扩大为一系列表示,一个人可以获得新WSF面波的表达式如下:
在这里,可以解决集成使用第二种的合流超几何函数定义如下(32]:
然后,方程(8)可以推导如下:
最后,波的新的表达式结构平面的波函数定义如下: 在哪里第一类是合流超几何函数(32]。
3.2。球面波的结构函数
用方程(3)方程(7)和扩大作为一个系列的表示,一个可以获得的新波结构函数的表达式球面波。它是表达如下:
使用方程(9)和(10WSF),最终的表达式可以推导出球面波和它改写如下: 在哪里广义超几何函数和吗和非负整数(32]。
4所示。空间相干性半径的新表达式
本节的主要目的是计算光的空间相干性半径。它是用来确定波的空间相干性半径在接收机瞳孔平面。正如我们所知,空间相干性半径定义了有效的接收孔径尺寸在外差探测系统。新表达式是平面波和球面波在所得出在这一节中。可控硅派生开始用新的wsf派生在前一节中。这些wsf需要近似和简化使用有效地当一个执行计算机模拟数值计算。
考虑到wsf方程(12)和(15)。这些方程涉及合流超几何函数和 。这些超几何函数可以近似表示如下(32]:
方程(17)和(18)可以替换为方程(12)和(15),分别。wsf的光学波可以改写如下: 在哪里 和是non-Kolmogorov Rytov方差定义的平面波non-Kolmogorov湍流闪烁指数(33)如下:
WSF的光学波,可控硅定义的是 点的复杂程度的一致性3), 。
基于WSF平面的波的近似表达式中定义方程(19),面波的新的可控硅表达式的例子 派生,定义如下:
同样,基于WSF的球面波的近似表达式中定义方程(20.),新可控硅的球面波的表达式 派生,定义如下: 而 和 ,这使得一个特例众所周知的各向同性湍流柯尔莫哥洛夫,方程(23)和(24)可以减少表达式如下: 和方程的结果(25)和(26)符合研究[3]。
5。评估使用数值分析
基于上述派生新的解析表达式,分析了波结构函数和空间相干性的平面和球面波传播半径各向异性non-Kolmogorov动荡。有两套新的表达式,并将评估对各种特征参数。这些是wsf定义在方程(12)和(15)和定义在方程(在所23)和(24),分别。我们已经做了一些数值模拟的一般假设:光学波传播与广义结构参数 ;波长 ;距离是标量分离 ,的内在尺度涡流的大小是1毫米,和外涡流的规模大小10米;的光学路径长度变化从100到8公里;的幂律指数3点到4点不同;的情况下 用于可控硅模拟。
5.1。评估在wsf
第一组模拟执行使用新的波结构中定义的函数方程的表达式(12)和(15)。评估的重点是分析wsf的行为的各种特征参数。这些包括幂律指数 ,湍流强度 ,和各向异性系数 。
图1(一)显示的行为WSF的幂律指数增加 ,当各向异性系数 ,这实际上使湍流各向同性。wsf增加时从3到3.3,然后轻轻地之后下降。可以看到wsf的光滑疙瘩时达到最大 。另一方面,数字1 (b)WSF的行为显示了湍流强度 。wsf的单调增加随着湍流强度增加。可以观察到WSF平面的波的值总是大于球面波在这两个数字。
(一)
(b)
图2显示的行为WSF的湍流强度增加和各向异性因子增加 。图2(一个)是平面的海浪,和图2 (b)是球面波。在这两种情况下,wsf增加随着湍流强度更强。此外,同样重要的是要注意,wsf明显各向异性的影响因素wsf的强度得到400倍弱各向异性从1增加到50个。
(一)
(b)
图3显示WSF的行为对涡流大小的尺度。在这些模拟中,我们组的各向异性因子 和幂律指数 。在图3(一个),我们可以观察到wsf的光学波慢慢减少内部涡流大小的规模增加。另一方面,在图3 (b),wsf增加渐近外涡流大小的规模增加。注意,wsf增加绝对超过外尺度的涡流大小20米。
(一)
(b)
6。评价在所
第二组模拟执行使用新的表达式中定义的空间相干半径方程(23)和(24)。类似于使用wsf模拟,评估的重点也是分析行为在所的各种特征参数。这些包括幂律指数 ,湍流强度 ,和各向异性系数 。
图4(一)显示了可控硅的行为对幂律指数增加当各向异性系数 ,这实际上使湍流各向同性。幂律指数高度相关的光学波的传播路径(34]。很明显,高度会影响大气条件和大气变化时的曲线变化。在所减少时从3到3.2,增加轻轻当不等变化从3.3到3.8,最终减少纯粹之后去4。另一方面,数字4 (b)显示了可控硅的行为对湍流强度 。在所也单调减少湍流强度增加。值得注意的是,两个光学波在所的优势成为几乎相同当湍流强度变得温和的强劲,也就是说, 。这一现象的物理原因,强烈的动荡会削弱光学波信号;因此,可控硅将减少当湍流强度增加。此外,在模拟使用在所,波飞机的大小总是小于球面波。
(一)
(b)
图5显示了可控硅的行为对湍流强度增加和各向异性因子增加 。图5(一个)是平面的海浪,和图5 (b)是球面波。WSF相反的情况下,减少在所随着湍流强度变得更强。此外,重要的是要注意,也在所显著各向异性的影响因素在所得到的强度高达40倍的各向异性增加从1到50。物理原因可以在涡流的各向异性性质;涡流工作作为镜头大曲率半径比各向同性湍流各向异性湍流,和大曲率镜头可以集中一个光学波比在各向同性湍流35]。
(一)
(b)
最后,图6显示了可控硅的行为对内部涡流的规模大小 。在这些模拟中,我们组的各向异性因子 和幂律指数等于3.2,10/3,分别和3.8。src的仿真结果表明,这两种光学波明显受到内部涡流的规模大小;曲线单调增加增加。此外,飞机波浪更力量指数的影响因素在固定内涡流的规模大小;它的大小增加多达50%,从3.2到3.8不等。可控硅变小,这意味着接收机需要更多的工作来平衡通道失真。
(一)
(b)
7所示。结论
在这项工作中,我们提出了新的集波表达式的结构函数和空间相干性半径的空间光学波等平面和球面波传播路径在水平的自由空间,由各向异性湍流扰动。wsf的新派生的解析表达式和在所评估,和他们的行为是观察到不同的五个主要特征参数,幂律指数 ,湍流强度 ,各向异性系数 ,和艾迪的内在规模和外在规模大小,和 ,分别。
这五个参数单独或组合有广泛影响的大小wsf在所。wsf的行为和在所出来不同的幂律指数。同时,对增加湍流强度、wsf在所显示逆wsf增加而在所减少的关系。同样,各向异性因子影响wsf和反向在所。换句话说,wsf增加随着各向异性的增加而减少在所相反。最后,涡的尺度大小轻轻地影响wsf在所他们单调增加的尺度涡流大小增加无论内部还是外部规模规模。特别是,在所,飞机波浪更动荡的权力影响球面波。此外,更大的幂律指数收缩的大小比在所较小的;飞机波浪影响也比球面波在这种情况下。
我们还发现,波结构函数可用于分析光的时间频率传播波和成像系统的MTF。在光通信系统中,为了有效地识别目标,有必要对微多普勒变化造成的背景噪音。这种噪声还包括波引起的光学波湍流大气中传播。这些随机变化引起传播频率激光的光谱信号,表现为额外的多普勒频移。此外,重要的频率传播可以消除造成的微转移目标。因此,光的时间频率传播波可用于激光雷达系统,光学检测、测距系统,和其他的目标检测和识别领域。结合当前工作提出了,我们也在考虑时间的影响在成像系统mtf的光学波传播与湍流各向异性海上自由空间;传播路径可以倾斜和水平。我们的结果对光通信有重要理论和实践意义和成像和传感系统涉及湍流大气6 g沟通渠道。此外,我们的研究有一定的局限性; the work is mainly based on the power-law spectrum derived from the mathematical formula and no outdoor experiments. In future work, we will try to compare the results with the measured data from the outdoor experiment, because the outdoor results can better represent the actual atmospheric conditions.
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是支持的中国广东省科技计划项目(批准号2020 a1414010285),中国江苏省自然科学基金(批准号BK20201201),大脑韩国21项目主要大学和学生的教授和博士科研基础苏州大学应用技术学院,苏州(批准号RC0006),专业和惠州大学的博士科研基金(批准号2020 jb014和2019 jb019)。