大气附面层对空地激光通信链路影响的研究与仿真

Vbl．35Supplement

红外与激光工程

InfraredandLaserEngineering

2006年10月

Oct．2006

大气附面层对空地激光通信链路影响的研究与仿真

韩成1，杨华民1，佟首峰2，白宝兴1

(1．长春理工大学计算机科学技术学院，吉林长春130022；

2．长春理工大学光电工程学院，吉林长春130022)

7

，

’

摘要：通过对气动光学理论的研究，找到了一种实用的方法来计算大气附面层对自由空间光通信系统的

影响程度，并利用计算机仿真技术建立了大气附面层影响模型。通过模型对影响S仃ehl的各种因素有了’深入的理解，得到了strehl与高度和马赫数的关系，并根据这些关系提出几种减少附面层影响的方法。

关键词：附面层；

Strehl；

马赫数；弱像差

文章编号：1007．2276(2006)增A．0358．05

中图分类号：TN929．1文献标识码：A

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O引言

对设置在空气动力学环境中的光学系统性能产生影响的原因主要有两个。第一是气动力学效应，这些效应是由于外流场与机载平台的相互作用引起的；第二是气动光学效应，这些效应是由平台经过流场时产生的折射率变化引起的。其中气动力学效应对自由空间光通信的影响已经有许多文献进行了的介绍，而气动光学效应对于自由空间光通信系统的影响的文献并不多，本文通过对气动光学理论的研究，找到了一种实用的方法来计算大气附面层对光学系统的影响程度，并提出了几种减小大气附面层影响的方法。

收藕日期：2006．08．01

基金项目：国防重点支持项目(2003从712014)

作者简介：韩成(1978-)，男，吉林吉林人，博士，主要从事自由空间光通信仿真部分的研究。

增刊

韩成等：大气附面层对空地激光通信链路影响的研究与仿真

359

当飞机在高空中高速运动的过程中，在飞机舱壁外侧附近会形成激波和附面层。而只有当飞机加速穿过跨声区进入超声区时，激波才会出现并增强。在飞机与卫星间激光通信系统中，飞机的最大马赫数为O．6。所以可以忽略激波的影响，只需考虑附面层的影响。

由于空气是有粘性的，当气流流过飞机时，紧贴物体表面的那层空气就会完全粘在上面，速度变为零，然后流速一点点增大，直到基本恢复到原来的流速，这个有很大速度梯度的流体层称之为附面层或边界层。附面层的厚度很薄，而且与物面的长度成正比，即物面长度越大，附面层越厚。在附面层中，开始的流动很有层次，又叫层流，然后就会混乱，也叫紊流，再往后就会分离。在大气中标定的运行高度和马赫数，邻近气动表面都存在湍流附面层ll叫当激光通过湍流附面层的时候，会引起各种各样的气动光学效应，并且会在探测器上导致三种等级的光学像差：S仃ehl损失、光束扩散和光学倾斜：，’’

l气动光学影响，

当飞机在高空中飞行时，飞机舱壁表面的气体被压缩。假设这是一个绝热过程，我们可用下式来近似表示这个加热过程15J：

L=6瓦【l+，．芝半膨；】

Z

(1)

式中：L为绝热壁温；瓦为自由气流温度；M。为自由气流马赫数；，．为回收参数(，．=o．89湍流)；y为绝

热指数，即等压与等容时的比热之比。在大多数气动光学条件下约为1．4(空气)；6为恒压反射真空气体效应，马赫数低于6时约等于1，马赫数超过8时为0．5。

通过对空气动力学的研究发现，湍流附面层内的密度波动的大小受舱壁上的密度和自由来流密度之差的激发川。另一方面，这种密度之差是由于温度增加和边界层内的流体加速引起的速度波动而造成的。假设在无激震波和假定横越边界层零压力梯度状态下，根据理想气体状态方程，可以得到下面的公式：

告2号

po

jj

圆

w

式中：∥。为飞机舱壁处的密度；岛为自由流密度(在仿真中我们认为它是环境密度，约为大气密度)，可

以通过查标准大气表得到。由公式(1)和(2)，可以得到飞机舱壁处和自由来流密度间的关系公式：

p，：夕。[1+，．(掣)M∥

(3)

对于大多数附面层流来说，在整个层内静压力保持不变，因此密度将发生变化。对于层流附面层，密度的变化是平稳的，这样的理想流场通常没有多少光学能量衰变。所以下面我们只考虑湍流附面层的影响。湍流附面层与层流附面层的不同在于层流中的流层相互经过的有序活动受到破坏，且移动过程变成无序运动。假定是各向同性湍流，预计的波前方差给定为：

工

盯2=2G2．r乞dz

O

，：<<三(4)

式中：G为Gladstone．Dale参数‘61，它是气体的一种特性，在可见光范围内几乎是不变的(G=0．22cm3儋)。，：为沿光轴的相关长度；p’场波动密度；三通过扰动的总光程。这里为了估计波动密度，假定湍流边界层的密度产生改变时，峰值密度出现在全部湍流边界层的中间，并且其平均值为舱壁和自由流密度之差的lO％左右。

360

红外与激光工程：光电系统总体技术第35卷

2大气附面层仿真模型

首先假设随机流导致光学相差的一个“最坏的情况”，即与极限孔径直径D相比，所有流动相关长度都很小(即，．<．

S兰，／，o兰exp卜(K盯)2】

式中：K=2兀／旯(波数)；仃2为波前方差。

光束散射是系统性能的第二个计量手段。如果假设一高斯光束通过弱气动光学像差传输到焦平面上(能

量守恒)，那么，最后所得到的弥散角‘8】为：

n

‘p

2亩

％

式中：％为光学衍射受限角。对于一个均匀照明未模糊的圆形孔径，铭=2．4力／D，式中D为孔径直径。

因此，印为由此像差引起的衍射光斑线形增加的测量，高斯焦平面光斑(标准偏差)的实际直径为J=F够，

式中F为系统焦距。

3仿真试验及结果分析

3．1试验参数的设计

对于附着湍流附面层，一般认为流附面层厚度为整个附面层长度的1‰1．5％之间。在仿真试验中取保守

值，并且推算附面层厚度为整个附面层长度(流动方向)的1．5％，并且附着附面层内湍流标度尺度(J『．)认

为是总层厚的10％左右llJ。

对于光学系统在飞机上的位置，从机头开始每5

m采样一次。激光波长选择0．5岬，此外由于对于非常

低的流速，压缩效应可以忽略不计，如果没有人为地加入热能，几乎没有光学像差。所以选择马赫数从0．25开始到5结束(每0．25采样一次)，这里考虑了低速飞行区(马赫数为O~o．4)，亚音速飞行区(马赫数为O．4～O．75)，跨音速飞行区(马赫数为O．75～1．2)和超音速飞行区(马赫数为1．20～5．0)。飞行高度在l～20间，每lkm采样一次。

km

3．2仿真结果分析

通过执行仿真程序，可以首先得到波前偏差与马赫数和高度间的关系图像，如下图：

从F嘻1中可以知道波前偏差随着高度的增加而减少，随着马赫数的增加而增加。并且最大值不超过1．5

哪。由于空地激光通信链路试验中的激光波长大于可见光波长(380～780啪)，所以以下仿真都是在弱像差

(盯<力／万)条件下进行的。

此外光学平台安装在飞机上的位置对空地激光通讯试验来说也是非常重要的，从Fig．2可知为了减少光学像差，光学装置应该在气动装置上更向前一些。根据飞行器的实际情况，在下面的仿真中将飞机前沿到光学平台的距离设为lO

m。

增刊

韩成等：大气附面层对空地激光通信链路影响的研究与仿真

36l

平台Ii{f沿到兕学妒角的骑!高，m

●

图l波前偏差与马赫数和高度间的关系Fig．1

Relationofwavefrontnumberandheight

图2

Fig．2

V撕锄ce，mach

stfehl与平台前沿到光学平台的距离

Rclationofstrehl狮ddistaIlcc舶m舶m

ofpl锄eto叩tics

dcvice

Fig．3分别表示在马赫数为O．6、l、3的情况下，S仃ehl与高度间的关系。由图可知在马赫数不变的情况下，S仃ehl随高度的增加而增加，说明高空稀薄的大气对于光学像差的影响小。

商魔，km商度，km商度，km

图3高度与Strchl间的关系

Fig．3

Relation

ofheigllt柚dSn曲l

，12Fig．4分别表示在海波高度为5km

km，20

km的情况下，Strehl与马赫数间的关系。由图可知在马赫

数不变的情况下，S仃ehl随高度的增加而增加，说明高空稀薄的大气对于光学像差的影响小。

O

0O00

O0nO

OIfI￡Z

OOO0

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O

nO0

与赫数{0．25—5)一占磷数{f)．25—5}马赫数fo。25—5)

图4马赫数与Strehl间的关系

Fig．4

ReIati∞St他hl卸dmachnumber

362

红外与激光工程：光电系统．总体技术第35卷

4结论

(1)在其他条件不变的情况下，飞行速度(马赫数)的提高，将会导致流体温度的增加，这将导致附面层内密度变大，附面层内的密度波动也会变大。最后会产生更大的光学像差(即Strehl变小)。所以飞机的飞行速度要尽量地慢。

(2)在其他条件不变的情况下，为了减少大气附面层的影响，飞行器的飞行高度要尽可能的高，因为在高空中大气稀薄，大气密度小，所以密度波动相对较小，所以光学系统受附面层影响较小。

(3)在其他条件不变的情况下，对于机载光学系统而言，为了减少总的附面层路程长度，成像仪器尽可能远的向机体前方移动是非常有益的。

(4)在其他条件不变的情况下，为了降低大气附面层的影响，要选择长波长，因为波长越长，波数越小，得到的S仃ehl越大。参考文献：

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