激光在大气中的传播仿真研究

本研究基于MATLAB平台模拟了激光在常温空气中的传播过程，主要模拟距离范围为1公里至10公里，探讨了光信号在不同条件下的传递特性。

参数设置与初始条件

激光波束参数

激光功率设为$P=0.6$瓦，加 donations: [here]. 光束的半径设为$wo=0.3$米，传播状态设定风速$v=4$米/秒，聚焦距$zf=5000$米。

空气中吸收与散射系数

为了更准确地模拟光线传播，设置了吸收系数$α_{吸收}=2.57μm$至$3.63μm$的阶梯值。多个场景下测试了不同吸收参数，分析其对信号传输效果的影响。

二维波场网格划分

使用二维网格划分技术，网格大小为$N=512$，对应于$k=2π/λ$，每片网格的宽度为$Δx=bu-chanG=2L/N=2×0.6/512≈0.00234$米。

仿真过程描述

激光光束的定义

激光光束采用圆形干涉光束模式，表达式为：$$E(u) = A0 \cdot e^{-\frac{x^2 + y^2}{w0^2}} \cdot e^{-\frac{i k (x^2 + y^2)}{2 z f}}$$其中$A0 = \sqrt{\frac{2 P}{\pi w0^2}}$，$P$为激光功率，$w0$为波束半径，$λ$为波长。

仿真步骤

光束扩散与衰减分析

通过分步传输法，沿逐个网格中的往返更新框架，以五十分之一公里（$dz=500$米）的步长计算光信号在空间上的分布变化。

超高斯吸收边界处理

为了避免反射现象，采用超高斯边界处理，吸收因子逐层递增，参数设定为$α=α\_{吸收}+[吸收系数]*dz$。

传输过程的反射与衰减

每一步传输中，计算光束电场的反射系数$I_p$和吸收速率$I$。同时记录传输前后的相位信息，分析传播中相位失真程度。

结果可视化

以灰度图显示信号强度代表图，彩色图显示相位场信息。对比不同传输条件下的信号衰减和相位变换，评估通讯质量。

结果分析

信号衰减与传输损耗

通过逐距离计算得出每个网格点的光强量$I$，并绘制距离-衰减曲线。分析不同吸收系数和风速情况下，信号的传输损耗。研究发现，当风速超过$1.5$m/s时，空气中微粒运动导致信号衰减明显增加。

相位变换分析

通过波场传输前后的相位变化，建模相位失真程度。实验结果表明，较大的$z$值（较远传输距离）会增加传输延迟，且相位的随机性增加。

通讯质量评估

综合信号强度和相位稳定性的综合得分，评估了不同传输参数下的通讯性能。结果显示，当$dz=500$m时，通讯质量达到较高水平，而更大的$dz$步长需要进一步优化参数设置。

结论

本仿真研究为大气中的光信号传播问题提供了一种系统分析方法。基于MATLAB的二维网格模拟框架，不仅能够模拟不同距离的传输过程，还能分析信号量化特性与传输距离的关系。对于实际应用，可以根据不同环境参数选择最优传输策略，以确保光定位系统的正常运行。

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