光通信 其他

TN929.1 2006043573大气光通信中大气闪烁时间平滑效应研究=Ti me-avera-ging effects for at mospheric scintillationin at mospheric op-tical communication[刊,中]/高宠(哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室.黑龙江,哈尔滨(150001)) ,马晶…∥光学学报.—2006 ,26(4) .—481-486基于科尔莫戈罗夫谱,导出了弱湍流起伏区无限平面波和球面波的大气闪烁时间平滑因子的一般表达式,并且用几何光学近似得到了在大孔径和小孔径接收情况下的时间平滑因子近似表达式。在孔径远大于菲涅耳区尺度时,平面波和球面波的时间平滑因子的近似…     

湍流大气中光波闪烁的圆环孔径平均因子

利用弱起伏条件下球面波在大气湍流中传输的光强起伏(闪烁)理论和圆环孔径滤波函数,获得了圆环孔径平均因子的精确表达式。将圆环孔径平均因子关于一个无量纲参量(孔径半径与菲涅耳尺度的比值)拟合成2阶多项式,再找出多项式系数与孔径内外径之比的函数关系,获得了圆环孔径平均因子关于该参量和孔径内外径之比的函数关系式。通过误差分析确定了拟合关系式的适用范围,在此范围内,拟合式与精确式的相对误差小于25%。分别用Tatarskii谱和修正Hill谱分析了湍流内尺度对圆环孔径平均因子的影响,结果显示:在其他条件不变的情况下,内尺度越大,孔径平均效应相对越小。     

曝光时间对上行传输光束强度起伏的影响

上行传输光束的闪烁起伏影响星地激光链路的稳定性,而利用时间平滑效应,增加光电探测器曝光时间是克服大气闪烁的有效途径之一。考虑曝光时间的平滑效应,分别导出了小天顶角和大天顶角下的时间平滑因子表达式,在此基础上,分析了接收终端离地高度和天顶角对时间平滑效应的影响。研究结果表明,随着曝光时间的增大,上行传输光束的闪烁强度显著降低;随着接收终端离地高度和天顶角的增大,大气闪烁时间平滑作用降低。     

伪部分相干高斯-谢尔模型光束在湍流大气中传播的闪烁孔径平滑效应

采用光传播的数值模拟方法, 对伪部分相干高斯-谢尔模型光束大气传播过程进行数值模拟, 统计分析不同接收口径内的光强起伏特性,计算闪烁的孔径平滑因子, 讨论了表征伪部分相干光的调制相位屏的相对变化频率对闪烁指数的影响, 并将其与充分发展的部分相干高斯-谢尔模型光束及完全相干光的闪烁指数对比. 结果表明: 降低光源相干性可大幅度降低闪烁指数, 但同时其闪烁指数的孔径平滑效应减弱, 在相同接收孔径下, 伪部分相干光闪烁指数的孔径平滑效果要比完全相干光差; 增大调制相位屏的相对变化频率可在一定程度上降低闪烁指数, 随着其相对频率的增大, 伪部分相干光的闪烁指数与部分相干光的结果趋于一致. 关键词： 伪部分相干高斯-谢尔模型光束 湍流大气 孔径平滑闪烁指数 数值模拟     

孔径平均对自由空间光通信误码率的影响

研究了接收端孔径平均效应对自由空间光通信误码率的影响。对数辐射方差是反映接收孔径上某一点闪烁起伏的参量。如果自由空间光通信的误码率仅仅是和对数辐射方差有关,那么得到的就是点接收器的结果。对数辐射的协方差是与接收平面上某两点间距离有关的闪烁起伏参量。孔径平均效应意味着要将误码率和对数辐射的协方差联系起来。文中共考虑了两种模型:球面波和平面波,并假设接收孔径直径等于第一菲涅耳区尺度。分析的结果显示,孔径平均后的误码率有明显的减小。     

采用投影光学估计弱起伏条件下的大气闪烁指数

在远场散斑投影成像系统上整合大气闪烁指数测量功能,有助于全面分析激光大气传输特性及其对光电系统性能的影响。但是在大口径接收时,大气闪烁会因孔径平滑效应而变得微弱,光源稳定性引起的强度起伏会更为明显。针对这一问题,基于光源强度起伏和大气闪烁的乘性调制假设,建立了考虑光源强度起伏的大气闪烁指数的测量模型。利用光源强度起伏不随孔径变化而大气闪烁随孔径变化这一差异性,通过投影光学在同一时刻测量两个不同接收孔径上的光强闪烁,结合弱起伏条件下的孔径平滑因子来求解测量模型,从而分别估计大气闪烁指数和光源强度闪烁指数。实验结果表明,在孔径0.05m至0.4m之间,实测值和理论估计值的最大相对误差小于9.685%,理论模型与实验符合度较高。采用该方法可以在投影光学上实现弱起伏条件下的大气闪烁指数估计。     

大天顶角的到达角起伏

基于修正Kolmogorov谱,运用相位结构函数的平方近似,导出了适用于大天顶角传输的到达角起伏方差及其功率谱的解析表达式.研究结果表明,新导出的方差表达式在任意天顶角都是适用的.散射盘尺度和接收孔径对到达角起伏起平滑作用,当接收孔径远大于散射盘尺度时,由于孔径平滑作用,导出的表达式在任意天顶角都可以近似为弱起伏理论给出的结果；当接收孔径小于散射盘尺度时,散射盘尺度的平滑作用明显,接收孔径的平滑作用相对较小,传统的到达角起伏理论仅在小天顶角是适用的,在大天顶角必须用新导出的方差表达式.当接收孔径D<25 cm时,弱起伏理论给出的表达式的适用范围被限制在小于50°~70°的天顶角内.     

无线激光通信中的多孔径接收技术研究

在大气激光通信中,大气湍流所引起的光强闪烁会严重影响通信系统的性能,导致系统误码率的增加,多孔径接收是克服这种影响的有效方法.主要分析了3个孔径的接收性能,并对比了多个接收孔径的接收面积的大小及相互之间的位置关系对空间平滑因子的影响,对比了多孔径接收与单孔径接收的孔径平滑因子;利用GammaGamma信道模型分别从弱至...     

大气湍流中目标尺寸对回波闪烁残余指数影响的数值研究

综合利用了Rytov方法和广义惠更斯菲涅耳原理推导了水平及斜程路径上粗糙目标回波残余闪烁指数的表达式,并利用数值方法计算了不同波长球面波及平面波入射情况下的残余闪烁指数,其结果与分步傅里叶算法模拟的结果相吻合,证明了该理论的正确性。分析了残余闪烁指数与目标直径、传播距离的关系,证明了残余闪烁指数等于被目标孔径平滑了的入射波闪烁指数。     

特殊函数在湍流大气传输光束漂移中的应用

研究特殊函数在激光湍流大气传输光束漂移效应中的应用,为提高跟瞄系统的瞄准精度提供理论依据。基于特殊函数和修正Von Karman谱,对斜程湍流大气传输光束漂移方差表达式进行了数值仿真。数值模拟表明,特殊函数高次项的近似舍去对激光湍流大气传输光束指向精度影响甚微。在外尺度较小时,光束漂移方差变化较快;随着外尺度的增加,光束漂移增加缓慢且趋于饱和。在相同的外尺度下,发射孔径（初始光束束径）与发射天顶角的增大对光束漂移具有抑制作用,且天顶角接近π/2,光束漂移角方差快速减小。     

Irradiance scintillation considering finite turbulence inner scale for optical wave propagating through weak non-Kolmogorov turbulence

The turbulence inner scale plays an important role in investigating the irradiance scintillation index for optical wave propagating through atmospheric turbulence. However, previous expressions of the irradiance scintillation index, which were derived based on the general non-Kolmogorov spectral model, did not consider the influences of finite turbulence inner scale. In this study, based on the generalized exponential spectral model for non-Kolmogorov atmospheric turbulence, theoretical expressions of the irradiance scintillation index are derived for plane and spherical optical waves propagating through weak turbulence. The new expressions have considered the influences of the finite turbulence inner scale and the receiver aperture on the irradiance scintillation index. Numerical simulations are performed to analyze these parameters’ influences.     

Scintillation index of optical wave propagating in turbulent atmosphere

A concise expression of the scintillation index is proposed for a plane optical wave and a spherical optical wave both propagating in a turbulent atmosphere with a zero inner scale and a finite inner scale under an arbitrary fluctuation condition. The expression is based on both the results in the Rytov approximation under a weak fluctuation condition and the numerical results in a strong fluctuation regime. The maximum value of the scintillation index and its corresponding Rytov index are evaluated. These quantities are affected by the ratio of the turbulence inner scale to the Fresnel size.     

大气闪烁对自适应光学校正的影响

 激光在大气湍流中长距离近水平传输时，闪烁加强，限制了常规自适应光学的校正能力。数值研究了大气闪烁对自适应光学校正的影响，拟合得到了在Fresnel数一定时，Strehl比与Rytov方差的表达式，以及Rytov方差一定时，Strehl比与Fresnel数的表达式。结果表明，在Rytov方差较小时，纯相位校正Ｓtrehl比只与Rytov方差有关；随着Rytov方差的增加，Strehl比不仅与Rytov方差有关，还与Fresnel数有关，Fresnel数越大，校正Strehl比越大；大发射和接收孔径有利于提高校正Strehl比；在一定的Rytov方差下，Stregl比随Fresnel数增大而增加，逐步趋于饱和，达到纯相位校正的极限。     

星-地下行传输孔径接收闪烁频谱的理论和实验研究

基于孔径接收的对数振幅相关函数,结合星地激光下行链路的实际情况,推导了星地下行孔径接收的闪烁频谱表达式。分析了天线孔径和天顶角对闪烁频谱的影响。通过恒星观测实验,对下行孔径接收的闪烁频谱进行了实际测量。实验结果验证了理论计算。研究表明,下行孔径接收的闪烁频谱分为低频段和高频段两部分。低频谱为常量,高频谱呈指数关系变化,指数下降因子为(-11/3)。随着接收孔径尺度增加或天顶角减小,频谱幅值逐渐减小,但闪烁频谱的形状保持不变。     

Analysis of marine atmospheric turbulence effects on infrared imaging system by angle of arrival fluctuations

For the long-range infrared imaging system, the marine atmospheric turbulence degrades seriously the probability of object recognition and tracking. In this study, the angle of arrival fluctuations of an optical wave, which describes the distortion effects of marine atmospheric turbulence on an infrared optical imaging system, is investigated in detail both analytically and numerically. Analytic expressions of the angle of arrival fluctuations are derived for optical plane and spherical waves propagating through weak marine atmospheric turbulence with horizontal path, and they consider simultaneously finite turbulence inner scale, turbulence outer scale, wavelength, and aperture diameters. Numerical calculations are conducted to analyze the influence of marine weak turbulence on the infrared imaging. The results are useful for understanding the potential impact of deviations from the terrestrial turbulence.     

星地下行孔径接收闪烁频谱的理论研究

 基于孔径接收的对数振幅时间相关函数，结合星地激光下行链路的实际情况，推导了适用于星地下行孔径接收的闪烁频谱表达式。进而分析了孔径尺度和湍流外尺度对闪烁频谱的影响。结果表明，下行孔径接收闪烁频谱分为低频段和高频段两个区间，低频段为常数，高频段呈幂指数规律变化，且幂律的绝对值为11/3。当接收孔径增加时，频谱的幅值和宽度逐渐减小，其形状保持不变。随着等效湍流外尺度的增加，低频谱的幅值逐渐增大，高频谱保持不变。     

Gamma-Gamma湍流信道中大气光通信系统误码特性分析

大气信道中的大气湍流是影响无线激光通信系统性能的主要因素之一, 其引起的强度闪烁效应会对接收信号的提取和还原造成很大干扰。基于Gamma-Gamma概率分布的大气湍流信道统计模型, 研究了利用副载波相移键控(PSK)强度调制技术的大气光通信系统的误码特性; 推导了副载波二进制相移键控(BPSK)及开关键控(OOK)两种调制模式下的系统误码率表达式; 对在一定条件下的大气光通信系统, 比较了副载波BPSK和OOK两种调制模式的误码特性; 分析了链路特征、接收口径尺寸、通信波长和天顶角等因素对系统误码率的影响。结果表明, 增大接收孔径和通信波长都能有效地降低系统误码率, 而天顶角的增大则会使系统误码率增加, 副载波BPSK调制模式的误码特性要优于OOK调制模式的误码特性。     

Expressions of the scintillation index for optical waves propagating through weak non-Kolmogorov turbulence based on the generalized atmospheric spectral model

The high frequency “bump” which occurs in the turbulence spectral model just prior to the turbulence cell dissipation is important for the analysis of the irradiance scintillation for optical wave propagating through atmospheric turbulence. In this study, expressions of the irradiance scintillation index are developed from the generalized modified atmospheric spectral model for optical waves propagating through weak non-Kolmogorov turbulence. Compared with the expressions of the irradiance scintillation index derived from the general non-Kolmogorov spectral model, the new expressions can consider the influences of finite turbulence inner and outer scales and the influence of finite diameter aperture receiver. As the irradiance scintillation is caused mainly by the small scale turbulence cells' diffractive effects for weak turbulence, the turbulence outer scale's influence can be ignored. Numerical simulations show that variable inner scale values produce obvious effects on the irradiance scintillation for non-Kolmogorov turbulence.