空間長(zhǎng)距離傳播中高斯光束位相演化的模擬研究.pdf

1、衛(wèi)星地球重力場(chǎng)反演和空間引力波探測(cè)是目前國(guó)際上最前沿的科研課題。已經(jīng)升空的GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiments)衛(wèi)星是針對(duì)地球重力場(chǎng)測(cè)量的衛(wèi)星任務(wù),使用微波 K波段進(jìn)行衛(wèi)星間距的精確測(cè)量,準(zhǔn)確度約為10微米。其更進(jìn)一步的計(jì)劃GRACE Follow on將采用激光替代微波,預(yù)計(jì)將衛(wèi)星間距測(cè)量精度提高2個(gè)數(shù)量級(jí)。另一方面,LISA(Laser Interferometer Space

2、 Antenna)是針對(duì)引力波探測(cè)的空間科學(xué)任務(wù)。GRACE與 LISA都是通過(guò)激光干涉儀測(cè)量衛(wèi)星間的位移變化來(lái)反演地球重力場(chǎng)或者探測(cè)引力波。在這些激光測(cè)距方案中,激光在兩顆衛(wèi)星之間經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳播,在遠(yuǎn)端衛(wèi)星接收到的光束質(zhì)量必會(huì)受到光束本身特性以及傳播介質(zhì)(大氣電離層或是空間等離子體)折射率變化的影響,而這些問(wèn)題就是本文的研究重點(diǎn)。
　　目前使用計(jì)算機(jī)程序模擬計(jì)算光束長(zhǎng)距離傳播的方法,最常用的為光束傳播算法(Beam Propa

3、gation Method,BPM),主要包括快速傅里葉-光束傳播算法(Fast Fourier Transfer-BMP,FFT-BPM)、有限差分-光束傳播算法(Finite difference-BPM,FD-BPM)和有限元-光束傳播算法(Finite Element-BPM,FE-BPM)三種。本文分析了各種計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn),選擇FFT-BPM來(lái)進(jìn)行編程計(jì)算與分析。
　　本文首先介紹了FFT-BPM的理論基礎(chǔ),并用MAT

4、LAB為發(fā)展平臺(tái)來(lái)進(jìn)行編程;然后與理想的高斯光束傳播方程的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,確認(rèn)我們的計(jì)算方法是合理的。接著加入電離層折射率因素的影響,計(jì)算得到的結(jié)果與理論預(yù)言一致:折射率在本課題的計(jì)算中可以忽略。最后考慮光束初始的波前畸變,分別采用澤尼克多項(xiàng)式(Zernike polynomial)和幾何象差來(lái)描述,并且考慮不同發(fā)散角情況下的波前傳遞,得出發(fā)散角越大,初始波前畸變對(duì)結(jié)果的影響越小;并且用理論分析了這一結(jié)論。在理論上,我們發(fā)現(xiàn)發(fā)散角增大