(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210478530.1 (22)申请日 2022.05.05 (71)申请人 合肥学院 地址 230601 安徽省合肥市经开区锦绣大 道99号 (72)发明人 程知　何立新　张新　邓灶辉　 陶寅　高丽萍　 (74)专利代理 机构 合肥辉达知识产权代理事务 所(普通合伙) 3416 5 专利代理师 汪守勇 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 9/50(2006.01) G06F 113/08(2020.01) (54)发明名称 一种动态大气湍流相位屏的生成方法 (57)摘要 一种动态大气湍流相位屏的生 成方法， 涉及 大气光学领域， 首先利用次谐波法生成空域不相 关的若干 大气湍流相位屏， 然后在两个空域不相 关的相邻大气湍流相位屏之间， 利用双向二分拉 格朗日插值生成时间相关的M层大气湍流相位 屏， 若M层时间相关的大气湍流相位屏已经完全 生成， 那么计算出所产生的相位变化并记录； 接 着释放已经生成的时间相关的M层大气湍流相位 屏所占用的存储空间， 用于存放下一个M层的时 间相关大气湍流相位屏； 最后判断仿真是否结 束， 若未结束， 重复步骤。 本发明通过将空域不相 关的粗粒度大气湍流相位屏以及时域相关的细 粒度大气湍流相位屏进行融合， 实现大气湍流所 引起的光波相位的连续变化， 模拟大气湍流随时 间的演化过程。 权利要求书3页 说明书4页 附图2页 CN 114757050 A 2022.07.15 CN 114757050 A 1.一种动态大气湍流相位屏的生成方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1， 利用次谐波法生成空域不相关的若干大气湍流相位屏， 分别记为φ1,φ2,…, φN； 步骤2， 在两个空域不相关的相邻大气湍流相位屏φi和φi+1之间， 利用双向二分拉格朗 日插值生成时间相关的M层大气湍流相位屏φij,φij+1,…,φij+M； 步骤3， 若步骤2中所述的M层时间相关的大气湍流相位屏已经完全生成， 那么， 计算出 这M层大气湍流相位屏所产生的相位变化， 并记录下来； 步骤4， 释放步骤2中已经生成的时间相关的M层大气湍流相位屏所占用的存储空间， 用 于存放下一个M层的时间相关大气湍流相位屏； 步骤5， 判断仿真是否结束， 若未 结束， 重复步骤2 ～步骤4。 2.如权利要求1所述的生成方法， 其特 征在于， 所述 步骤1具体为： 时域相关多层大气湍流相位屏中， 相位屏垂直于光束传播方向， L为相位屏的总长度， 相距为ΔL的相位屏为粗粒度的空域不相关大气湍流相位屏， 若考虑两个相位屏之间的空 域不相关， 那么ΔL应该大于等于 湍流外尺度； 此时空域不相关的大气湍流相位屏个数为L/ ΔL； 首先得到高频相位屏的表达式， 表示 为： 公式(1)中， m， n和m ’， n’是整数， 代表相位屏上的格点下标； Nx和Ny分别为x方向和y方向 的采样总点数； h(m ’,n’)为零均值、 单位方差的复高斯白噪声； f(m ’,n’)为相位屏谱， 采用 改进的vo n‑Karman谱， 即： 公式(2)中， r0为大气相干长度； 其中l0为大气湍流内尺度； 其 中L0为大气湍流外尺度； f为极坐标 条件下对应的空间频率； 然后利用低频子谐波的方法生成低频相位屏， 表示 为： 公式(3)中， Np表示次谐波的阶数， j， l,k， r， p分别为整数， Nx和Ny分别为x方向和y方向 的采样总点数； 其中： 公式(4)中， Δx和Δy分别为x方向和y方向的采样间隔； 为相位屏的空 间谱， 其与折 射率功率谱Φn之间的关系为：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114757050 A 2公式(5)中， k， r， 的含义与公式(4)相同； k 为波数， k ＝2 π/ λ， λ为 光波波长； 基于改进的vo n‑Karman谱， 那么折 射率功率谱Φn表示为： 公式(6)中， 为折射率结构函数； κ0＝2 π/L0， κm＝5.92/l0， 其中L0和l0分别为大气湍流 外尺度和内尺度； 将公式(4)～(6)带入公式(3)， 可以求得低频相位屏φSH， 最终联合公式(1)可以得到由 次谐波法产生的大气湍流相位屏为： φ＝φHF+φSH  (7)。 3.如权利要求2所述的生成方法， 其特 征在于， 所述 步骤2具体为： 基于步骤1获得的空域不相关的大气湍流相位屏， 选取相邻两个空域不相关的大气湍 流相位屏， 其相位屏间距设为ΔL， 第一次插值生 成ΔL/2处的大气湍流相位屏； 然后向左右 两个方向 同时插值得到ΔL/4处的大气湍流相位屏， 进而 再向左右两个方向插值得到ΔL/8 处的大气湍流相位屏， 以此类推， 最终得到插值的M层大气湍流相位屏； 插值的计算方法如 下： (1)设待插值处左侧相位屏第i行、 第j列的像素点亮度为 待插值处右侧相位屏第i 行、 第j列的像素点的亮度为 (2)计算待插值处左右两侧相位屏第i行、 第j列的像素点亮度平均值： (3)利用待插值处左右两侧相位屏， 计算待插值处的拉格朗日插值； 尽管大气湍流相位 屏是二维的， 但是考虑到插值相位屏上像素点的位置要能够与左右两侧相位屏的像素点位 置对应， 这样相当于转化为光束传播方向上， 求取相同像素坐标处亮度值的插值， 用x表示 相位屏的序号， 用I表示相位屏的亮度值， k+1表示总点数； 根据拉格朗日插值多项式， 待插 值相位屏第i行、 第j列的像素点亮度表示如下： 公式(9)中， Im为已知的第m个相位屏在第i行、 第j列处的亮度值， lm(x)为加权系统函 数， 其表达式为： (4)待插值处相位屏第i行、 第j列的最终像素点亮度为左右两侧相位屏亮度平均值 与拉格朗日插值 相乘后的平方根， 由下式给 出： (5)对相位屏的i行从1到Nx遍历， j列从1到Ny遍历， 即可 得到完整的一个插值相位屏；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114757050 A 3