Метод генерации случайного оптического поля с помощью разложения Карунена-Лоэва для имитации турбулентности атмосферы
Автор: Хонина Светлана Николаевна, Волотовский Сергей Геннадьевич, Кириленко Михаил Сергеевич
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии
Статья в выпуске: 1 т.44, 2020 года.
Бесплатный доступ
При численном моделировании распространения излучения сквозь случайную среду для описания имитаторов турбулентности предложено использовать метод генерации случайного поля на основе разложения Карунена-Лоэва с различными типами корреляционных операторов. Свойства рассчитанных имитаторов случайной среды с Гауссовой корреляционной функцией были исследованы при моделировании распространения вихревых пучков Лагерра-Гаусса. Результаты моделирования показали, что увеличение порядка оптического вихря приводит, как и в эксперименте, к меньшей стабильности фазовой сингулярности пучков к случайным оптическим флуктуациям. Близость результатов моделирования и оптического эксперимента свидетельствует о перспективности предлагаемого подхода к синтезу имитаторов случайной среды.
Корреляционный оператор, собственные функции, разложение карунена-лоэва, имитатор случайной оптической среды
Короткий адрес: https://sciup.org/140247075
IDR: 140247075 | DOI: 10.18287/2412-6179-CO-680
Список литературы Метод генерации случайного оптического поля с помощью разложения Карунена-Лоэва для имитации турбулентности атмосферы
- Ramirez-Iniguez, R. Optical wireless communications: IR for wireless connectivity / R. Ramirez-Iniguez, S.M. Idrus, Z. Sun. - Boca Raton: CRC Press, 2007. - 376 p.
- Majumdar, A.K. Free-space laser communications: principles and advances / A.K. Majumdar, J.C. Ricklin. - New York: Springer Science & Business Media, 2008. - 418 p.
- Henniger, H. An introduction to free-space optical communications / H. Henniger, O. Wilfer // Radioengineering. -2010. - Vol. 19, Issue 2. - P. 203-212.
- Willner, A.E. Recent advances in high-capacity free-space optical and radio-frequency communications using orbital angular momentum multiplexing / A.E. Willner, Y. Ren, G. Xie, Y. Yan, L. Li, Z. Zhao, J. Wang, M. Tur, A.F. Molish, S. Ashrafi // Philosophical Transactions of the Royal Society a Mathematical Physical and Engineering Sciences. - 2017. - Vol. 375, Issue 2087. - 20150439.
- Krenn, M. Communication with spatially modulated light through turbulent air across Vienna / M. Krenn, R. Fickler, M. Fink, J. Handsteiner, M. Malik, T. Scheidl, R. Ursin, A. Zeilinger // New Journal of Physics. - 2014. - Vol. 16. - 113028.
- Ren, Y. Experimental characterization of a 400 Gbit/s orbital angular momentum multiplexed free-space optical link over 120 m / Y. Ren, Z. Wang, P. Liao, L. Li, G. Xie, H. Huang, Z. Zhao, Y. Yan, N. Ahmed, A. Willner, M.P.J. Lavery, N. Ashrafi, S. Ashrafi, R. Bock, M. Tur, I.B. Djordjevic, M.A. Neifeld, A.E. Willner // Optics Letters. - 2016. - Vol. 41, Issue 3. - P. 622-625.
- Isumaru, A. Wave propagation and scattering in random media / A. Isumaru. - New York: John Wiley & Sons, 1999. - 272 p.
- Mishchenko, M.I. Scattering, absorption, and emission of light by small particles / M.I. Mishchenko, L.D. Travis, A.A. Lacis. - Cambridge: Cambridge University Press, 2002. - 462 p.
- Andrews, L.C. Laser beam propagation in random media / L.C. Andrews. - 2nd ed. - Bellingham, WA: SPIE Optical Engineering Press, 2005. - 808 p.
- Eyyuboglu, H.T. Propagation of higher order Bessel-Gaussian beams in turbulence / H.T. Eyyuboglu // Applied Physics B. - 2007. - Vol. 88, Issue 2. - P. 259-265. -
- DOI: 10.1007/s00340-007-2707-6
- Gbur, G. Vortex beam propagation through atmospheric turbulence and topological charge conservation / G. Gbur, R.K. Tyson // Journal of the Optical Society of America A. - 2008. - Vol. 25, Issue 1. - P. 225-230. -
- DOI: 10.1364/JOSAA.25.000225
- Porfirev, A.P. Study of propagation of vortex beams in aerosol optical medium / A.P. Porfirev, M.S. Kirilenko, S.N. Khonina, R.V. Skidanov, V.A. Soifer // Applied Optics. - 2017. -Vol. 56, Issue 11. - P. E8-E15. -
- DOI: 10.1364/AO.56.0000E8
- Khonina, S.N. A technique for simultaneous detection of individual vortex states of Laguerre-Gaussian beams transmitted through an aqueous suspension of microparticles / S.N. Khonina, S.V. Karpeev, V.D. Paranin // Optics and Lasers in Engineering. - 2018. - Vol. 105. - P. 68-74. -
- DOI: 10.1016/j.optlaseng.2018.01.006
- Polynkin, P. Optimized multiemitter beams for free-space optical communications through turbulent atmosphere / P. Polynkin, A. Peleg, L. Klein, T. Rhoadarmer, J.V. Moloney // Optics Letters. - 2007. - Vol. 32, Issue 8. - P. 885-887. -
- DOI: 10.1364/OL.32.000885
- Chen, C. Propagation of radial Airy array beams through atmospheric turbulence / C. Chen, H. Yang, M. Kavehrad, Z. Zhou // Optics and Lasers in Engineering. - 2014. - Vol. 52. - P. 106-114. -
- DOI: 10.1016/j.optlaseng.2013.07.003
- Gu, Y. Scintillation of nonuniformly polarized beams in atmospheric turbulence / Y. Gu, O. Korotkova, G. Gbur // Optics Letters. - 2009. - Vol. 34, Issue 15. - P. 2261-2263. -
- DOI: 10.1364/OL.34.002261
- Zhou, P. Propagation property of a nonuniformly polarized beam array in turbulent atmosphere / P. Zhou, X. Wang, Y. Ma, H. Ma, X. Xu, Z. Liu // Applied Optics. - 2011. - Vol. 50, Issue 9. - P. 1234-1239. -
- DOI: 10.1364/AO.50.001234
- Moreno, I. Vector beam polarization state spectrum analyzer / I. Moreno, J.A. Davis, K. Badham, M.M. Sanchez-Lopez, J.E. Holland, D.M. Cottrell // Scientific Reports. - 2017. - Vol. 7. - 2216.
- Khonina, S.N. Recognition of polarization and phase states of light based on the interaction of nonuniformly polarized laser beams with singular phase structures / S.N. Khonina, A.P. Porfirev, S.V. Karpeev // Optics Express. - 2019. - Vol. 27, Issue 13. - P. 18484-18492. -
- DOI: 10.1364/OE.27.018484
- Gbur, G. Angular spectrum representation for the propagation of arbitrary coherent and partially coherent beams through atmospheric turbulence / G. Gbur, O. Korotkova // Journal of the Optical Society of America A. - 2007. - Vol. 24, Issue 3. - P. 745-752. -
- DOI: 10.1364/JOSAA.24.000745
- Chen, R. Statistical properties of a cylindrical vector partially coherent beam in turbulent atmosphere / R. Chen, Y. Dong, F. Wang, Y. Cai // Applied Physics B. - 2013. - Vol. 112. - P. 247-259.
- Thomas, S. A simple turbulence simulator for adaptive optics / S. Thomas // Proceedings of SPIE. - 2004. - Vol. 5490. - P. 766-773. -
- DOI: 10.1117/12.549858
- Mishra, S.K. Design and testing of customized phase plate as atmospheric turbulence simulator / S.K. Mishra, A. Dixit, V. Porwal, D. Mohan // 37th National Symposium of OSI at Pondicherry University. - 2013. - P. 172-174. -
- DOI: 10.13140/2.1.4106.5920
- Fukunaga, K. Representation of random processes using the finite Karhunen-Loeve expansion / K. Fukunaga, W.L.G. Koontz // Information and Control. - 1970. - Vol. 16. - P. 85-101. -
- DOI: 10.1016/S0019-9958(70)80043-2
- Kirby, M. Application of the Karhunen-Loeve procedure for the characterization of human faces / M. Kirby, L. Sirovich // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. - 1990. - Vol. 12, Issue 1. - P. 103-108.
- Wang, L. Karhunen-Loeve expansions and their application / L. Wang. - Ann Arbor: ProQuest, 2008. - 292 p.
- Soifer, V.A. Decorrelated features of images extracted with the aid of optical Karhunen-Loeve expansion / V.A. Soifer, M.A. Golub, S.N. Khonina // Pattern Recognition and Image Analysis. - 1993. - Vol. 3, Issue 3. - P. 289-295.
- Fancourt, C.L. On the relationship between the Karhunen-Loeve transform and the prolate spheroidal wave functions / C.L. Fancourt, C. Principe // 2000 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing. - 2000. - Vol. 1. - P. 261-264.
- Kirilenko, M.S. Coding of an optical signal by a superposition of spheroidal functions for undistorted transmission of information in the lens system / M.S. Kirilenko, S.N. Khonina // Proceedings of SPIE. - 2014. - Vol. 9146. - 91560J. -
- DOI: 10.1117/12.2054214
- Хонина, С.Н. Метод вычисления собственных значений вытянутых сфероидальных функций нулевого порядка / С.Н. Хонина, С.Г. Волотовский, В.А. Сойфер // Доклада: Академии наук. - 2001. - Т. 376, № 1. - С. 30-33.
- Fasshauer, G.E. Positive definite kernels: past, present and future [Electronical Resource] / G.E. Fasshauer. - URL: http://www.math.iit.edu/~fass/PDKernels.pdf (request date 10.01.2020). - P. 28.
- Голуб, М.А. Разложение Карунена-Лоэва при экспоненциально-косинусной корреляционной функции / М.А. Голуб, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. - 1993. - Т. 13. - С. 49-53.
- Feizulin, Z.I. Broadening of a laser beam in a turbulent medium / Z.I. Feizulin, Y.A. Kravtsov // Radiophysics and Quantum Electronics. - 1967. - Vol. 10, Issue 1. - P. 33-35.
- Young, C.Y. Turbulence-induced beam spreading of higher-order mode optical waves / C.Y. Young, Y.V. Gilchrest, B.R. Macon // Optical Engineering. - 2002. - Vol. 41. - P. 1097-1103.
- Korotkova, O. Random light beams: theory and applications / O. Korotkova. - Boca Raton, FL: CRC Press, 2013. -366 p. -
- ISBN: 978-1-4398-1950-0
- Lutomirski, R.F. Propagation of a finite optical beam in an inhomogeneous medium / R.F. Lutomirski, H.T. Yura // Applied Optics. - 1971. - Vol. 10, Issue 7. - P. 1652-1658.
- Кравцов, Ю.А. Прохождение радиоволн через атмосферу Земли / Ю.А. Кравцов, З.И. Фейзулин, А.Г. Виноградов. - M.: Радио и связь, 1983. - 223 c.
- Рытов, С.М. Введение в статистическую радиофизику. Часть I. Случайные процессы / С.М. Рытов. - М.: Наука, 1976. - 280 с.
- Обухов, А.М. Турбулентность и динамика атмосферы / А.М. Обухов. - Л.: Гидрометиздат, 1988.
- Гурвич, А.С. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере / А.С. Гурвич, А.И. Кон, В.Л. Миронов, C.С. Хмелевцов. - М.: Наука, 1976. - 280 с.
- Van Trees, H.L. Detection, estimation and modulation theory: Part I. Detection, estimation and linear modulation theory / H.L. Van Trees - New York: John Wiley & Sons, Inc., 1968. - 1176 p.
- Le Maitre, O.P. Spectral methods for uncertainty quantification with applications to computational fluid dynamics: scientific computation / O.P. Le Maitre, O.M. Knio. - Luxembourg: Springer, 2010. - 481 p.
- Huang, S.P. Convergence study of the truncated Karhunen-Loeve expansion for simulation of stochastic processes / S.P. Huang, S.T. Quek, K.K. Phoon // International Journal for Numerical Methods in Engineering. - 2001. - Vol. 52. - P. 1029-1043. -
- DOI: 10.1002/nme.255
- Прохоров, С.А. Математическое описание и моделирование случайных процессов / С. А Прохоров. - Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет, 2001. - 209 с.
- Ирошников, Н.Г. Экспресс-анализ параметров турбулентности / Н.Г. Ирошников, А.В. Ларичев, а.В. Корябин, В.И. Шмальгаузен // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. - 2009. - № 5. - C. 74-78.
- Kirilenko, M.S. Formation of signals matched with vortex eigenfunctions of bounded double lens system / M.S. Kirilenko, S.N. Khonina // Optics Communications. - 2018. - Vol. 410. - P. 153-159. -
- DOI: 10.1016/j.optcom.2017.09.060
- Adams, M.J. An introduction to optical waveguides / M.J. Adams. - Chichester: John Wiley & Sons, Inc., 1981.
- Khonina, S.N. Generation of rotating Gauss-Laguerre modes with binary-phase diffractive optics / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, M. Honkanen, J. Lautanen, J. Turunen / Journal of Modern Optics. - 1999. - Vol. 46, Issue 2. - P. 227-238. -
- DOI: 10.1080/09500349908231267
- Харитонов, С.И. Вычисление момента импульса электромагнитного поля внутри волновода с абсолютно проводящими стенками: ab initio / С.И. Харитонов, С.Г. Волотовский, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. - 2018. - Т. 42, № 4. - С. 588-605. -
- DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-4-588-605
- Ustinov, A.V. Local characteristics of paraxial Laguerre-Gaussian vortex beams with a zero total angular momentum / A.V. Ustinov, V.G. Niziev, S.N. Khonina, S.V. Karpeev // Journal of Modern Optics. - 2019. - Vol. 66, Issue 20. - P. 1961-1972. -
- DOI: 10.1080/09500340.2019.1686183
Статья научная
