仪器资讯

“大气光学讲坛”:激光大气传输数值仿真计算网格的自设计

科技动态 2021-02-08

大气光学是研究光通过大气时的相互作用和由此产生的各种低层大气光象的一门学科,是大气物理学的一个分支。大气光学的研究可从两个角度出发:把大气当作一种连续介质,由于电磁波在介质中传播时速度随介质密度改变,而发生反射和折射等现象;把大气当作由空气分子、气溶胶和水汽凝成物组成的混和物,研究由于这些粒子对电磁波的吸收、散射和偏振等所引起的光学现象。

2021年2月上旬,“大气光学讲坛”新年首期学术活动展开。王英俭研究员开讲“激光大气传输数值仿真计算网格的自设计”。团队自主研发的激光大气传输及自适应光学相位校正实用化软件平台,在湍流、热晕相屏及传输方程算法、自适应光学系统仿真等方面独具特色,成功应用于多次激光大气传输试验研究的对比分析,为激光大气传输评估系统的建立奠定了坚实基础,并得到行业内的广泛认可。

王英俭研究员近期的研究成果,解决了普通用户针对不同激光系统和不同传输场景下激光大气传输与自适应光学校正软件计算网格精确设置的难题。通过自设计算法改进,大大提高了仿真计算速度,拓展了仿真计算软件的使用范围和应用领域。

延伸阅读:

激光大气传输是以大气为传播媒质的一种激光传输方式。激光是一种电磁波,具有很好的相干性、单色性和方向性。用它作为载波传递信息,容量大、距离远、保密性高、抗干扰性强。激光大气传输是大气激光通信的关键。激光在大气中传输的特性和规律,直接影响大气激光通信的质量。研究表明:对激光大气传输产生重要影响的因素有大气衰减、大气湍流和非线性光学效应。

大气衰减是指由于大气吸收散射使激光能量损失,从而影响传输距离和可靠性。吸收激光的主要大气气体分子有H2O、CO2、O3分子;其它像CH4、N2O、CO等的吸收,在长距离传输时也要考虑。每一种气体分子均有若干吸收带,吸收带之间有较大透过率的波长区域称为大气窗口,主要有8~14μm,3~5μm和1~2μm三个窗口区,见表。选用波长在大气窗口的激光可以有较大透过率。大气散射引起衰减主要由于大气气体分子和悬浮在空中的灰尘、烟雾、水滴以及雾、霾、雨和雪等的一次或多次散射。

大气湍流即大气层的漩涡流动。它使大气的速度、温度和折射率均在时间和空间上随机起伏,使激光的波阵面发生畸变,因而光束展宽、抖动和弯曲。接收到的光斑闪烁、漂移,使激光束的相干性变差。理论和实验研究证明,可用波阵面自适应相位补偿法来克服湍流引起的波阵面畸变。我国还提出在接收机电路中采用快速AGC电路和降低接收机低频响应来克服大气湍流的影响,比较简单有效。此外,采用分集接收方法也能减少湍流效应。

非线性光学效应是强激光在大气中传输时显示出这一效应。主要包括热晕效应和气体击穿效应。热晕效应是由于大气吸收激光能量导致光路上的大气加热,折射率改变,使激光束扩散、畸变和弯曲。气体击穿效应是指激光辐射和大气相互作用导致大气气体电离,形成一个高密度的、能强烈吸收激光能量的等离子体区,因而限制了高功率激光在大气中传输。

数值模拟也叫计算机模拟。依靠电子计算机,结合有限元或有限容积的概念,通过数值计算和图像显示的方法,达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。数值模拟技术诞生于1953年Bruce G.H和PeacemanD.W模拟了一维气相不稳定径向和线形流。受当时计算机能力及解法限制,数值模拟技术只是初步应用于解一维一相问题。

新闻来源:中国科学院合肥物质科学研究院

更多新闻资讯