实际大气中无线光通信的系统差错性能

无线光通信(FSO)系统的性能受大气湍流影响会产生剧烈波动。根据系统和大气参数评估系统差错性能的研究具有现实意义。以大气湍流信道和光电探测模型为基础,使用拟合概率分布替换常用的对数正态分布,建立了FSO系统差错性能的数学仿真模型,改进了湍流条件下系统误码率计算公式,并且进行全天的验证实验。实验结果显示,光强概率分布对系统性能有显著的影响,原有公式在某些情况下的计算结果有较大偏差,而改进公式的计算结果具有更好的适应性和准确性。该改进公式可有效评估湍流条件下FSO系统性能,并为相关理论研究提供参考。     

大气激光通信中多光束传输性能分析和信道建模

多光束传输技术是克服大气激光通信中大气湍流效应的有效途径之一。首先从理论上分析了大气湍流对多光束大气激光通信系统性能的影响和多光束大气传输的光强起伏特性,然后利用统计分析的方法,建立了一个以传输距离z、光束数目n、发射孔径之间的距离St、接收孔径Dr等为参量的多光束大气传输信道模型。最后,结合相关文献提供的实验结果对该信道模型进行了实验验证和误码性能分析。结果表明,当S1≥√λz或Dr远大于大气湍流相干长度ρo时,随着n的增大,接收光强将趋于对数正态分布．降低了大气激光通信系统的误码率,从而验证了多光束传输对于克服大气湍流影响的有效性。     

基于大气湍流效应的双波长激光传输特性实验研究

为研究大气湍流作用下不同波长激光信号的传输特性,建立了基于双波长条件下的激光光束传输实验测试系统,在此基础上进行了室外实验测量,得到了双波长光束同信道传输时的光束漂移和光强起伏变化的测试数据。实验结果表明,大气湍流对激光信号的传输具有较大的影响,且光强的闪烁系数与波长有很大的关系,选择波长较长的激光束可减少湍流对光强起伏的影响;光束质心漂移具有很大的随机性,且其质心变化与波长之间无明显的直接联系。实验测试数据结果与大气湍流理论相符合,对空间大气通信具有一定的参考价值。     

部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应

以修正Rytov方法为基础,利用部分相干高斯-谢尔(GSM)光束模型并结合Andrews的唯像闪烁模型,研究部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应。推导出适用于不同湍流情形的部分相干光对数光强起伏方差表达式,系统分析了部分相干光在大气湍流中的光强起伏方差。结果表明:在同等的湍流环境下,部分相干光比完全相干光的光强起伏方差要小;光束相干性越差,光强起伏越小,抗湍流能力越强。在不同大气湍流情形下,光源相干性、大气折射率常数等参数对光强起伏都有不同程度的影响。     

复杂传播路径条件下激光光强起伏特性研究

对复杂地形情况下实际湍流大气中的激光强度起伏进行了系统的实验观测,分析了光强起伏统计特征的周日及全年变化规律。结果发现：复杂地形情况下实际湍流大气中的激光光强起伏,不论是概率密度分布还是其功率谱等统计特征均与理论上的偏离很大。     

双孔差分闪烁法测量大气湍流的理论与实验研究

根据cross-path理论, 推导出弱起伏条件下差分孔径光强起伏结构函数的精确表达式, 以此为依据, 从理论上提出测量大气湍流强度的双孔差分闪烁法. 在Kolmogorov湍流谱条件下, 分析了信标光直径和信标光高度对该方法中路径权重函数的影响. 在近地面开展了2 km路径的水平光单程传输实验, 将双孔差分闪烁法和单孔闪烁法的测量结果进行了对比. 实验结果表明: 在不同的天气条件和大气湍流状况下, 两种方法测量的折射率结构常数具有高度的一致性; 通过对折射率结构常数积分得到的球面波大气相干长度进行相关性分析, 发现两者的线性相关系数达0.96; 由此验证了双孔差分闪烁法的可行性和有效性. 该方法能够分离出主动信标双程传输的后向闪烁信息, 为主动信标准确探测大气湍流提供了一种新方法.     

大气湍流对激光通信系统的影响

从分析激光在大气湍流场中的传输方程出发,忽略系统中的其它噪声,仅考虑由大气喘流引起的系统误码率,讨论了激光信号在传输过程中的振幅起伏以及强度起伏;推导出由大气湍流引起的光强起伏和系统误码率的关系,结果表明:在弱起伏条件下,对于系统误码率为10－9以下的要求,光强起伏应小于0.67;随着湍流强度C2n的增大,误码率增加很快;采用长波长的激光进行传输可以有效地降低系统误码率.     

大气激光通信中稳定跟踪技术研究

 为了研究大气激光通信中稳定跟踪所采用的器件及有效跟踪方法,分析了光束定位探测器件(电荷耦合器件和四象限光电探测器)的灵敏度特性,结合影响大气激光通信跟踪系统性能的五种大气湍流效应,分别讨论了光束漂移、光强起伏、光斑弥散、到达角起伏及光束扩展的原理.对质心跟踪算法和形心跟踪算法定位准确度的影响进行分析,得到在大气条件下形心算法的跟踪误差小于质心误差的结论,并通过实验进行了验证.     

大气湍流对航空光电侦察图像质量影响因素分析北大核心CSCD

大气湍流效应是严重影响航空光电侦察系统图像质量的重要因素之一。从大气湍流参数描述出发,研究了大气湍流对光学系统成像质量的影响机理,分析了大气湍流影响光学系统调制传递函数(modulation transfer function,MTF)的影响因素,建立了大气湍流影响光学系统成像MTF的理论模型。仿真结果表明,在大气湍流影响下,光学系统光瞳口径与大气相干直径的比值对光学系统成像MTF影响较大。通过光学系统地面外场实验图像测试对比,验证了实际光学系统受到大气湍流影响后的成像MTF理论模型。研究结果可为大气湍流影响下的航空光电侦察系统设计及提升其成像质量提供理论支持。     

激光大气传输湍流扰动仿真技术

为了研究激光大气传输时湍流效应对激光应用技术的影响,对湍流扰动的仿真进行了分析。介绍了在实验室内进行激光大气传输湍流扰动研究的数值仿真技术和仿真系统。阐述了快速傅里叶变换（FFT）和Zernike多项式两种湍流扰动数值仿真方法,并且对比了两种方法的优劣。利用物理相位屏搭建了实物湍流仿真系统,介绍了其理论模型并进行了仿真实验,对激光经湍流系统传输后的光强能量分布进行了研究分析。结果显示,室内湍流仿真系统能够准确地模拟弱起伏条件下湍流对激光传输的影响。     

近地面大气光学湍流空间相关特性的实验研究

本文提出了基于光纤湍流传感器阵列的大气光学湍流空间相关函数测量原理, 并确定了具体的测量方案和数据统计方法. 利用光纤湍流传感器阵列在近地面开展了大气光学湍流空间相关特性的实验测量研究, 尽可能全面地展示光学湍流空间相关函数的各种形式. 结果表明, 大气光学湍流的一维空间相关函数主要表现为两种结构形态, 其一, 58.7%基本符合各向同性湍流空间相关函数模型, 其相关函数在一定尺度范围内呈现随尺度的增大而减小的趋势, 当超过该尺度时, 相关系数接近于0; 其二, 另有37.9%表现为与尺度无关, 相关系数维持在0附近小幅度随机振荡. 不难发现:光学湍流的空间相关特性主要取决于湍流的强弱和湍流是否得以充分发展, 同时, 湍流的相干结构将引起空间相关函数的小幅度振荡. 以空间布点探测直接获取光学湍流空间相关函数的方法, 不仅为分析湍流空间结构奠定了实验基础, 同时, 也为进一步建立非K湍流模型提供了理论开端.     

激光光强扰动对相干场成像降质影响理论研究

激光相干场成像系统发射多束激光,经大气传输对远程目标成像,大气湍流引起的激光束光强扰动是影响成像质量的一个关键因素.本文从湍流引起的激光束光强扰动对回波解调信号的影响关系入手,建立了激光回波光强扰动因子对相位闭合系数和成像频谱分量的降质传函理论模型;基于三光束激光相干场成像系统仿真验证了理论模型的有效性.研究表明激光相干场成像频谱分量和成像像质主要受三光束相位闭合求解算法中第二光束光强扰动影响.该研究揭示了激光回波光强扰动对成像像质的影响机理,对于分析大气湍流等引起的光强扰动降质效应和合理分配多光束光强稳定性以提高成像质量具有理论指导意义.     

Bit error rate analysis with real-time pointing errors correction in free space optical communication systems

Pointing errors caused by the atmospheric turbulence will degrade the performance of free space optical (FSO) communication systems, especially the bit error rate (BER). In this paper, we innovatively analyze the relationship between BER and pointing errors by the probability density functions (PDFs) and intensity displacement in focal plane under the On-Off Keying (OOK) modulation conditions. The closed-loop experimental system is set up in laboratory, where the fast steering mirror (FSM) is real-time controlled by embedded controller with the parallel processing technology and the atmospheric turbulence is simulated by a turbulence simulation box. The results of repeated experiments show that the method of pointing errors correction we proposed is efficient under the conditions of atmospheric turbulence. By utilizing our method, the BER can decrease from nearly 10⁻³ to nearly or even below 10⁻⁹, thus improving the performance of FSO communication systems significantly.     

Stochastic parallel gradient descent laser beam control algorithm for atmospheric compensation in free space optical communication

Atmospheric turbulence seriously degrades the performance of free space optical (FSO) communication systems, especially the coupling efficiency. In this paper, we propose a stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm to compensate the atmospheric turbulence in FSO communication system. Theoretical analysis and work flow of the algorithm are given. Both simulation and experimental results indicate that the coupling efficiency can be increased from 12% to more than 80% after 270 iterations or more than threefold, which implies a significant improvement of the performance.     

BER analysis of BPSK-SIM-based SISO and MIMO FSO systems in strong turbulence with pointing errors

Free space optics (FSO) is one of the sprouting technologies in optical communication systems domain. It can be employed as an alternative for the conventional radio frequency (RF) links to work out the current limitations in communication systems. But, the major drawback in FSO communication is the effect of random environment conditions on its performance. In this paper, we analyze the bit error rate (BER) and outage performance of single-input single-output (SISO) and multiple-input multiple-output (MIMO) FSO systems in strong atmospheric turbulence using binary phase shift keying subcarrier intensity modulation (BPSK-SIM) signaling technique. The closed-form expressions are derived and the results are realized in terms of 2D and 3D plots.     

Turbulence mitigation scheme based on multiple-user detection in an orbital-angular-momentum multiplexed system

Atmospheric turbulence(AT) induced crosstalk can significantly impair the performance of a free-space optical(FSO)communication link using orbital angular momentum(OAM) multiplexing.In this paper,we propose a multiple-user detection(MUD) turbulence mitigation scheme in an OAM-multiplexed FSO communication link.First,we present a MUD equivalent communication model for an OAM-multiplexed FSO communication link under AT.In the equivalent model,each input bit stream represents one user's information.The deformed OAM spatial modes caused by AT,instead of the pure OAM spatial modes,are used as information carriers,and the overlapping between the deformed OAM spatial modes are computed as the correlation coefficients between the users.Then,we present a turbulence mitigation scheme based on MUD idea to enhance AT tolerance of the OAM-multiplexed FSO communication link.In the proposed scheme,the crosstalk caused by AT is used as a useful component to deduce users' information.The numerical results show that the performance of the OAM-multiplexed communication link has greatly improved by the proposed scheme.When the turbulence strength C_n~2 is 1 × 10~(-15) m~(-2/3),the transmission distance is 1000 m and the channel signal-to-noise ratio(SNR)is 26 dB,the bit-error-rate(BER) performance of four spatial multiplexed OAM modes l_m = + 1,+2,+3,+4 are all close to 10~(-5),and there is a 2-3 fold increase in the BER performance in comparison with those results without the proposed scheme.In addition,the proposed scheme is more effective for an OAM-multiplexed FSO communication link with a larger OAM mode topological charge interval.The proposed scheme is a promising direction for compensating the interference caused by AT in the OAM-multiplexed FSO communication link.     

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。     

大气环境下用于瞄准的激光波束传播特性研究

针对激光瞄准过程中的光斑偏移现象,结合修正的Von Karman谱的折射指数起伏和Hufnagel-Vally湍流模型上的近似积分,研究了高斯脉冲光束在湍流大气中远场水平以及斜程传播时的脉冲展宽和闪烁指数,分析了强湍流条件下1.06 μm准单色光斜程大气传输光强分布与脉冲展宽的关系,对数值结果进行比较,发现远距离传输中波长和距离对波束瞄准偏差影响较大.从理论和实验上对大气环境下激光光斑瞄准偏差进行了分析研究,研究结果表明:将激光光斑全场数据及分析结果应用到现有偏差补偿算法中,可以实现激光瞄准偏差的有效补偿,在大气能见度1 km～3 km范围内,激光瞄准偏差测量误差σA≤0.1 mrad.