西安地区大气相干长度的实验测量及分析

吴鹏飞; 贾璐瑶

doi:doi:10.3788/LOP57.090101

激光与光电子学进展, 2020, 57 (9): 090101, 网络出版: 2020-05-06

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Experimental Measurement and Analysis of Atmospheric Coherence Length in Xi'an Area

论文大纲

吴鹏飞贾璐瑶 ^*

作者单位

西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西西安 710048

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摘要

大气相干长度是评价激光传输系统自适应相位校正效果的重要参数,因此对大气相干长度进行测量分析具有实际应用价值。设计并搭建了一种基于差分像运动法测量大气相干长度的光学系统,并进行了外场实验,分析了西安地区全天范围内大气相干长度的变化趋势。结果表明,虽然在不同方向上测量的大气相干长度值有所不同,但总体变化趋势一致,且夜晚变化较白天更为稳定。本文结果为研究城市无线光通信系统提供了一定的参考。

Abstract

Atmospheric coherence length is an important parameter for evaluating the effect of adaptive phase correction in a laser transmission system, so there is a high research value to measure and analyze the atmospheric coherence length. In this paper, a system for measuring atmospheric coherence length by differential image motion method is designed and built to carry out field experiments in Xi'an area, and the variation trend of atmospheric coherence length within the whole day in Xi'an area is analyzed. Results show that although the values of atmospheric coherence length measured in different directions are different, the overall variation trend is the same, and the variation is more stable at night than at day. These results have a reference value for the construction of urban wireless optical transmission systems.

1 引言

激光通信具有低成本、高速率、部署灵活和强抗干扰能力等优势,因此备受关注。激光在传输过程中受到大气湍流的影响,导致激光波阵面发生畸变^[1]、光束漂移、扩展、闪烁^[2]等现象,从而影响通信质量,因此需要准确分析激光传输过程中大气湍流对通信系统的影响。一般采用大气相干长度r₀对大气湍流介质进行定量描述,由于大气湍流效应受温度、风速等因素的影响,其值会不断发生变化,故快速测量大气相干长度对大气激光通信具有重要意义^[3]。测量大气相干长度r₀的方法包括光闪烁、激光雷达等,与这些方法相比,差分像运动法(DIMM)因成本低、操作简便得到了广泛应用。

O'Donovan等^[4-5]设计研发了一种基于卡塞格林望远镜的DIMM测量仪,该仪器便携性较好,通过与风廓线雷达法测量结果进行对比,验证了该仪器稳定性较好。Okita等^[6]使用DIMM测量仪,测量了南极科考站上方的大气湍流强度,同时在白天进行了观星实验。2012年,于龙昆等^[7]利用DIMM测量仪得到了海边整层大气湍流参数的全天变化数据。数据分析表明,海边整层大气相干长度日变化明显,夜晚起伏无规则,且日变化没有陆地上的剧烈。2017年,董振龙等^[8]分别在北京和成都两个城市地区搭建了光波传输特性测试链路,分析了不同地理区域内大气相干长度值的变化趋势及误差来源。2018年,王钰茹等^[9]设计了折反路径上的激光探测成像系统,通过拟合的方法推算出湍流折射率结构常数与大气相干长度的值。

r₀可表示为光波传输路径上的总湍流积分,因此可通过测量r₀提高通信系统中的目标识别跟踪效率。本文在现有理论基础上,通过数值仿真模拟了不同大气相干长度下的湍流情况,定量分析了大气湍流强度对通信系统产生的影响,为实际中进行激光通信提供了理论支撑。最后搭建了光传输系统实验平台,对西安地区大气相干长度进行测量,分析了大气湍流在白天和夜间、晴天和多云条件下的变化趋势。

2 差分像运动法原理分析

反演法测量大气相干长度的方法,主要通过测量大气折射率结构常数进行反演,两者的关系可表示为^[10]

\begin{matrix} r_{0} = {[0.432 k^{2} \int_{0}^{\infty} C_{n}^{2} (z) dz]}^{- 3 / 5}, (1) \end{matrix}

式中:k为波数; $\begin{matrix} C_{n}^{2} \end{matrix}$ (z)为大气折射率结构常数;z为传输距离。

因反演法得到的大气相干长度值并不准确,所以本实验使用差分成像运动法测量r₀,主要通过测量光波在大气中传输时引起的到达角起伏,即两个光斑相对位置的随机抖动计算大气相干长度。图1所示为光斑质心位置与到达角的关系,表现为光斑质心(x_c,y_c)偏离了理想质心(x₀,y₀),由于大气相干长度具有各向异性,可通过测量不同方向上的r₀值,再通过统计求平均来减小误差。

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1 引言

2 差分像运动法原理分析

图 1. 光斑质心位置与到达角关系

Fig. 1. Relationship between center of mass and angle of arrival

3 不同湍流条件下远场光斑仿真分析

3.1 湍流相位屏模拟

图 2. r0=0.01 m时模拟湍流相位屏的三维空间分布

Fig. 2. Three-dimensional space distribution of simulated turbulent phase screen with r0=0.01 m

图 3. r0=0.1 m时模拟湍流相位屏的三维空间分布

Fig. 3. Three-dimensional space distribution of simulated turbulent phase screen with r0=0.1 m

图 4. r0=0.2 m时模拟湍流相位屏的三维空间分布

Fig. 4. Three-dimensional space distribution of simulated turbulent phase screen with r0=0.2 m

3.2 不同湍流强度下的激光传输仿真

图 5. 真空中传输时的远场光斑三维分布图

Fig. 5. Three-dimensional map of far-field light spot during vacuum transmission

图 6. r0=0.01 m的光强分布。(a)三维分布图;(b) 二维分布图

Fig. 6. Light intensity distributions with r0=0.01 m. (a) Three-dimensional distribution; (b) two-dimensional distribution

图 7. r0=0.1 m的光强分布。(a)三维分布图;(b) 二维分布图

Fig. 7. Light intensity distributions with r0=0.1 m. (a) Three-dimensional distribution; (b) two-dimensional distribution

图 8. r0=0.2 m的光强分布。(a)三维分布图;(b) 二维分布图

Fig. 8. Light intensity distributions with r0=0.2 m. (a) Three-dimensional distribution; (b) two-dimensional distribution

4 实验组成

4.1 实验系统搭建

图 9. 采集系统组成

Fig. 9. Composition of collection system

4.2 测量地点选取

图 10. 通信链路直线距离示意图

Fig. 10. Linear distance diagram of communication link

图 11. DIMM系统发射端实物图

Fig. 11. Physical map of DIMM system transmitter

4.3 激光发射系统

4.4 接收系统

图 12. 4孔配置图

Fig. 12. Configuration of four aperture module

图 13. 工业CCD相机外形图

Fig. 13. Profile of industrial CCD camera

表 1. CCD相机性能指标

Table 1. Performance indexes of CCD camera

图 14. DIMM系统成像效果图

Fig. 14. DIMM system imaging effect

图 15. 光斑能量三维分布

Fig. 15. Three-dimensional distribution of spot energy

5 实验结果分析

图 16. 连续多帧图像大气相干长度值

Fig. 16. Atmospheric coherence length of continuous multi-frame images

图 17. 全天内4个方向大气相干长度测量值

Fig. 17. Measured atmospheric coherence length in four directions in a whole day

图 18. 白天大气相干长度测量数值对比

Fig. 18. Numerical comparison of measured atmospheric coherence lengths at daytime

图 19. 夜间大气相干长度测量数值

Fig. 19. Measured nocturnal atmospheric coherence lengths

6 结论

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图 2. r₀=0.01 m时模拟湍流相位屏的三维空间分布

Fig. 2. Three-dimensional space distribution of simulated turbulent phase screen with r₀=0.01 m

图 3. r₀=0.1 m时模拟湍流相位屏的三维空间分布

Fig. 3. Three-dimensional space distribution of simulated turbulent phase screen with r₀=0.1 m

图 4. r₀=0.2 m时模拟湍流相位屏的三维空间分布

Fig. 4. Three-dimensional space distribution of simulated turbulent phase screen with r₀=0.2 m

图 6. r₀=0.01 m的光强分布。(a)三维分布图;(b) 二维分布图

Fig. 6. Light intensity distributions with r₀=0.01 m. (a) Three-dimensional distribution; (b) two-dimensional distribution

图 7. r₀=0.1 m的光强分布。(a)三维分布图;(b) 二维分布图

Fig. 7. Light intensity distributions with r₀=0.1 m. (a) Three-dimensional distribution; (b) two-dimensional distribution

图 8. r₀=0.2 m的光强分布。(a)三维分布图;(b) 二维分布图

Fig. 8. Light intensity distributions with r₀=0.2 m. (a) Three-dimensional distribution; (b) two-dimensional distribution