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。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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-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

1、本发明的目的是基于广义各向异性von-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。

2、本发明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：

3、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；

4、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；

5、步骤3、通过广义各向异性von-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；

6、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；

7、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。

8、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。

9、本发明有益效果实现如下：

10、本发明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。

11、本发明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。本发明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。

技术特征：

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-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：

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：

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：

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：

5.根据权利要求4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4所述的概率密度计算如下：

6.根据权利要求5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5具体实现如下：

7.根据权利要求6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，其特征在于通信系统接收到的反常涡旋光束的部分相干长度与通信系统发射的反常涡旋光束的部分相干长度相同。

8.根据权利要求6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，其特征在于根据变化曲线图中信号轨道角动量的接收概率最大值所对应的光源参数和湍流参数，确定最适宜传输的反常涡旋光束和湍流环境。

技术总结
本发明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‑Karman谱，得到各向异性大气湍流中球面波的空间相干长度；4、整理得到部分相干反常涡旋光束轨道角动量的概率密度；5、通过概率密度得到轨道角动量谱表达式；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。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。本发明能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。

技术研发人员：殷智慧,欧军,池灏,李齐良
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13