空間長距離傳播中高斯光束位相演化的模擬研究.pdf

1、衛(wèi)星地球重力場反演和空間引力波探測是目前國際上最前沿的科研課題。已經(jīng)升空的GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiments)衛(wèi)星是針對地球重力場測量的衛(wèi)星任務(wù),使用微波 K波段進行衛(wèi)星間距的精確測量,準確度約為10微米。其更進一步的計劃GRACE Follow on將采用激光替代微波,預(yù)計將衛(wèi)星間距測量精度提高2個數(shù)量級。另一方面,LISA(Laser Interferometer Space

2、 Antenna)是針對引力波探測的空間科學(xué)任務(wù)。GRACE與 LISA都是通過激光干涉儀測量衛(wèi)星間的位移變化來反演地球重力場或者探測引力波。在這些激光測距方案中,激光在兩顆衛(wèi)星之間經(jīng)過長距離的傳播,在遠端衛(wèi)星接收到的光束質(zhì)量必會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,而這些問題就是本文的研究重點。
　　目前使用計算機程序模擬計算光束長距離傳播的方法,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。本文分析了各種計算方法的優(yōu)缺點,選擇FFT-BPM來進行編程計算與分析。
　　本文首先介紹了FFT-BPM的理論基礎(chǔ),并用MAT

4、LAB為發(fā)展平臺來進行編程;然后與理想的高斯光束傳播方程的計算結(jié)果進行對比,確認我們的計算方法是合理的。接著加入電離層折射率因素的影響,計算得到的結(jié)果與理論預(yù)言一致:折射率在本課題的計算中可以忽略。最后考慮光束初始的波前畸變,分別采用澤尼克多項式(Zernike polynomial)和幾何象差來描述,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