激光在湍流等离子体鞘套中的传输特性研究

论文摘要

高超声速飞行器周围会形成等离子体包覆的流场（也称“等离子体鞘套”）,此鞘套层会导致通信中断。研究等离子体鞘套中的通信中断问题对于航空航天事业的发展具有重大意义,随着研究者对等离子体鞘套特性以及鞘套与电磁波相互作用机理研究的不断深入,发现等离子体鞘套中鞘套中的湍流效应也是影响通信质量的重要因素,所以鞘套中湍流性质作为一种新的研究机理开始引起广泛的关注。1、为了研究激光在湍流等离子体鞘套中的传输特性,首先在高为61km飞行速度23.9马赫的典型飞行场景下,采用不同化学反应模型和湍流模型,基于密度加权的Navier-Stokes（N-S）方程模拟计算了典型飞行目标RAM-C的湍流等离子体鞘套,将其壁面电子密度与同条件下的飞行试验结果进行对比验证,验证结果表明:采用Gupta化学反应模型与剪切应力运输湍流模型或k-?湍流模型模拟湍流等离子体鞘套时,模拟结果与飞行试验结果基本相符。然后对飞行高度为61千米,飞行速度为23.9马赫时湍流等离子体鞘套进行统计分析,结果表明在此飞行场景下折射率起伏方差的强度范围10-1110-14,而且飞行目标头部和侧部的典型传输路径上的折射率方差与x坐标之间的关系均符合五次多项式函数,壁面附近的折射率方差要比外流场大1-2个数量级。最后,基于湍流等离子体鞘套的流场模拟数据,研究了光线在湍流等离子体鞘套中的光线追迹,结果证明光线偏折与飞行条件密切相关。2、在采用随机相位屏研究湍流问题时,两个随机相位屏之间的传输过程大多采用菲涅尔衍射积分S-FFT（Single Fast Fourier Transform）算法,但是这种算法仅适用于长距离传输,高超声速飞行器周围等离子体包覆流场的厚度在厘米级别,对于厘米和毫米级别的超短距离传输问题,S-FFT算法会出现欠采样的问题。根据超声速飞行器绕流等离子体鞘套厚度在厘米级别的特点,光束在两个相位屏之间的传输过程中采用菲涅尔衍射积分的D-FFT（Double Fast Fourier Transform）算法,将此算法与随机相位屏相结合解决了多随机相位屏模拟湍流研究中的超短距离传输问题。利用多随机相位屏数值模拟了高斯光束在湍流等离子体鞘套中的光斑漂移和光强闪烁指数,并分析了影响高斯光束质量的因子。研究结果表明,在确定的传输条件下,经过2000次相互独立随机试验之后,光斑质心在x轴方向的漂移距离的频数趋于正态分布,说明2000可以作为研究总体分布情况的样本数,在此结果之上便可以利用样本的分布特性估计总体的分布特性,即研究特定传输条件下的光斑质心漂移距离的分布情况,发现光斑质心在围绕原始光斑质心做随机运动,光斑在x轴和y轴两个方向的漂移起伏基本相同。高斯光束在湍流等离子体鞘套中的光强闪烁指数与传输距离具有非线性BoxLucas1函数关系,而与折射率方差具有线性关系,但是闪烁指数与传输距离和折射率方差均呈现正相关。经研究发现,在湍流等离子体鞘套中折射率起伏强度、波长、传输距离等都是影响高斯光束质量的重要因子。折射率方差越大,传输距离越长,光束畸变越严重,光斑弥散越严重,光强起伏也越大。光束的波长越长,束腰半径越小,高斯光束抑制湍流的能力越强,光斑弥散程度和光强起伏越小,光斑质量越好,所以选择波长较长、束腰半径较小的高斯波束在湍流等离子体鞘套传输更有利于提高通信质量。3、基于超短距离多随机相位屏模拟方法,进行了拉盖尔高斯涡旋光束在自由空间和在湍流等离子体鞘套中的传输特性的数值仿真,研究结果表明影响湍流等离子体鞘套中拉盖尔高斯光束光束质量的主要因素有传输距离和折射率方差,随着传输距离或折射率方差的增加,拉盖尔高斯光束的光强明显减弱,光强起伏增加,光斑弥散程度加剧,其相位分布遭到的破坏程度也增强;拉盖尔高斯涡旋光束的相位结构在湍流等离子体鞘套中产生的旋转方向与在自由空间传输产生的旋转方向相反,这说明拉盖尔高斯涡旋光束具有较强的抵御等离子体鞘套湍流的能力,但是随着传输距离的增加,其相位结构在在自由空间中传输产生的旋转力度要强于湍流等离子体鞘套中产生的旋力度,所以只在一定的传输距离范围内,拉盖尔高斯涡旋光束可以保持其相位结构不发生旋转。4、基于高斯光束在湍流等离子体鞘套中的光强闪烁方差和相移键控副载波强度调制方式,在考虑湍流等离子体鞘套引起的新衰落的情况下,研究并推导了系统的误码率,并针对不同预调制方式,仿真了不同传输条件下的系统误码率。结果表明,系统误码率与调制方式、湍流等离子体鞘套衰落信道中的折射率起伏方差以及光束波长等多种因素有关。调制方式影响频带利用率、功率利用率、传输容量;折射率起伏方差越大,即湍流效应越强,误码率越大;波长越长,误码率越小,在考虑湍流等离子体鞘套衰落的信道中进行高效、可靠的通信,需要在频带利用率、功率利用率、传输容量和波长等多种因素之间进行折中考量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号对照表
• 缩略语对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 国外研究现状
•     1.2.2 国内研究现状
•   1.3 本文工作内容
• 第二章 湍流等离子体鞘套计算与分析
•   2.1 湍流等离子体鞘套数值模拟
•     2.1.1 湍流等离子体鞘套守恒方程
•     2.1.2 湍流模型
•   2.2 湍流等离子体鞘套验证和分析
•     2.2.2 湍流等离子体鞘套算例验证
•     2.2.3 湍流等离子体鞘套算例分析
•     2.2.4 湍流等离子体鞘套中折射率方差分析
•   2.3 湍流等离子体鞘套中的光线追迹
•   2.4 本章小结
• 第三章 高斯光束在湍流等离子体鞘套中的随机相位屏模拟
•   3.1 湍流等离子体鞘套中的随机相位屏模拟
•     3.1.1 相邻两相位屏之间的传输算法
•     3.1.2 多随机相位屏模拟
•   3.2 湍流等离子体鞘套中高斯光束的传输特性
•     3.2.1 高斯光束基础理论
•     3.2.2 高斯光束漂移特性分析
•     3.2.3 高斯光束光强闪烁指数的分析
•     3.2.4 影响高斯光束质量的因子分析
•   3.3 本章小结
• 第四章 拉盖尔高斯光束在湍流等离子体鞘套中的传输特性
•   4.1 拉盖尔高斯光束基础理论
•   4.2 自由空间传输特性
•   4.3 在湍流离子体鞘套中的传输特性
•   4.4 本章小结
• 第五章 湍流等离子体鞘套对光通信系统误码率的影响
•   5.1 单副载波二进制相移键控调制系统误码率
•     5.1.1 BPSK系统误码率
•     5.1.2 DPSK系统误码率
•   5.2 单副载波多进制相移键控调制系统误码率
•     5.2.1 M-PSK调制系统误码率
•     5.2.2 M-DPSK调制系统误码率
•   5.3 多副载波强度调制系统的误码率
•   5.4 本章小节
• 第六章 结束语
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吕春静

导师: 韩一平

关键词: 激光传输,随机相位屏,随机介质,等离子体鞘套

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,航空航天科学与工程,无线电电子学

单位: 西安电子科技大学

分类号: TN24;V216

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.001100

总页数: 119

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