Modelování vlivů okolního prostředí na optický svazek v prostoru

Lukáš Hájek

Master's thesis

Modeling of Environment Influences on the Optical Beam in the Free Space

Abstract:

Tato diplomová práce si klade za cíl prozkoumat možnosti počítačové simulace atmosférických vlivů, které mají výrazně negativní vliv na přenos informace volným prostředím ve formě optických svazků. Za tímto účelem bylo nutno popsat turbulentní chování atmosféry a nastudovat teoretické základy pro numerický popis proudění kapalin. Tyto poznatky byly aplikovány při sestavení simulační úlohy v softwaru ANSYS Fluent založeném na metodě konečných objemů. Na základě srovnání simulací a naměřených výsledků byl stanoven numerický model pro popis turbulentního proudění v uzavřeném laboratorním boxu. V rámci studia turbulentní atmosféry byla provedena i simulace termické turbulence. Dále se diplomová práce zabývá teoretickým popisem rozptylu, absorpce, vlivu aerosolu v atmosféře a kondenzací vodní páry v laboratorním boxu. Na základě modelového příkladu je sestavena simulace sledující chování vodních částic při vzniku vodní páry a pohybu v turbulentním proudění. Poslední část práce je věnována teoretickému popisu elektromagnetického vlnění a simulaci v modulu Ansys HFSS14. Je proveden teoretický rozbor jednotlivých částí optiky a popis parametrů Gaussovského pulsu. V aplikaci pracující na metodě konečných prvků je sestavena trajektorie laserového svazku s Gaussovským rozložením intenzity a proveden rozbor jeho vlastností při průchodu optickým prostředím.

Abstract:

This thesis aims to explore the computer simulation possibilities of atmospheric effects which have significantly a negative effect on the transmission of information in the free space in the form of an optical beam. For this purpose it was necessary to describe the turbulent behavior of the atmosphere and to study the theoretical basics for the numerical description of the fluid flow. These findings have been applied at preparing the simulation tasks in software ANSYS Fluent based on the finite volume method. The numerical model for the description of turbulent flow in a laboratory box was set on the comparison of simulation and measurement results. In the study of turbulent atmosphere simulation of thermal turbulence was also made. Furthermore, the thesis deals with the theoretical description of the aerosol effect in the atmosphere and condensation of water vapor in a laboratory box. Furthermore, the thesis deals with the theoretical description of scattering, absorption, effect of aerosols in the atmosphere and condensation of water vapour in a laboratory box. The simulation based on a model example studies the behavior of water particles in the formation of water vapour and motion of particle in turbulent flow. The last part focuses on theoretical description of electromagnetic waves in the simulation software Ansys HFSS14. It is a theoretical analysis of the individual parts of optics and description of Gaussian pulse parameters. In application, working on the finite element method, the trajectory of the laser beam with a Gaussian intensity distribution is complied and its properties are analyzed during passing optical environment.

Keywords

ANSYS, Fluent, HFSS, Gaussův svazek, turbulence, atmosféra, proudění, kondenzace, strukturní parametr indexu lomu.

Keywords

ANSYS, Fluent, HFSS, Gaussian beam, turbulence, atmosphere, flow, condensation, refractive index structure parameter.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 5. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 3. 6. 2013
• Supervisor: Jan Látal
• Reader: Martin Grábner

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Master programme / field:
Informační a komunikační technologie / Telekomunikační technika