机载激光通信链路中光场二阶特性的分析计算

为了评估大气湍流对机载激光通信系统的影响,理论分析和数值计算了机载激光通信链路中传输光场的二阶特性,包括接收光斑尺寸、光斑偏移量、光束相干半径、光束到达角起伏。计算结果表明:大气湍流对空间激光通信系统的影响主要在低空对流层,并随着机载平台高度的增加而降低。由于受到低空大折射率结构常数的影响,上行链路的接收光斑尺寸、光斑漂移量比下行链路大。下行链路光束到达角抖动比上行链路大,其值为若干rad。提出的模型及计算结果,可以为机载激光通信系统设计及性能评估提供参考。     

基于MIMO的无人机斜程激光通信性能分析北大核心CSCD

研究了大气湍流信道下无人机“空-地”斜程激光通信的下行链路单输入多输出(single input multiple output, SIMO)和上行链路多输入单输出(multiple input single output, MISO)技术。基于双伽马(Gamma-Gamma)分布的大气湍流模型,利用Meijer函数推导了大气湍流和指向误差联合影响下的SIMO下行链路误码率闭合表达式;利用α-μ分布建立了Gamma-Gamma湍流模型的MISO上行链路误码率性能近似表达式。系统研究了天线数、天顶角和指向误差对系统的影响,研究结果表明,空间分集技术可以有效改善系统的误码率性能,当束散角为500μrad、下行链路接收器和上行链路发射器为3时就可以得到超过10 dB的性能优化;天顶角对“空-地”斜程激光通信误码率性能影响显著,要达到系统误码率10-6的性能要求,天顶角需控制在30°左右的较小范围内。     

基于空间分集的高空平台光链路性能研究

针对高空平台不稳定性以及大气湍流对平台光通信性能的影响,提出利用空间分集技术改善高空平台光通信链路性能。在系统采用开关键控(OOK)调制条件下,利用矩母函数特性分别得到采用协作分集技术和多输入多输出(MIMO)技术的高空平台光链路误码率表达式,并求解协作通信系统中继平台的最优位置。仿真结果表明:协作分集技术与光MIMO技术对高空平台光链路性能的改善效果受到跟瞄误差的限制。采用发射选择分集的光MIMO技术对光链路的误码率性能最好。与采用重复码的MIMO方法相比,协作分集技术更适用于跟瞄误差大的通信系统。中继平台的最优位置与中继策略以及跟瞄误差无关。在中继平台最优位置附近,采用协作分集的光链路性能优于采用重复码MIMO光通信链路。     

星地微波光传输链路分析

根据星地大容量通信发展需求,研究了基于微波空间光传输技术的星地激光通信链路。在建立星地微波光传输链路模型的基础上,分析了链路光功率衰减、输出微波信号、噪声功率以及在大气湍流信道下系统的误码率。仿真分析了调制器直流偏置电压大小对链路输出信噪比和误码率的影响,结果表明,相对于通常的正交偏置工作点,通过优化控制直流偏置点的位置,可以提高链路输出信噪比和误码率,这种改善程度随着调制系数的减小而增大。该研究为建立星地微波光传输系统提供了有益参考。     

上下行传输孔径接收光强起伏特性分析

为了研究地星上行和星地下行激光链路孔径内接收光强信号的典型特征,基于大气湍流理论和位相屏方法,计算了短波和中波红外激光在特定大气相干长度条件下,孔径内接收激光功率与总功率的比值及起伏情况。根据统计结果讨论了上下行大气通道传播特性的差异,结果表明相同外界条件下,直径50 cm孔径内接收的下行激光信号强度大于上行激光信号强度1个数量级以上,其信号的起伏程度也低于上行激光;中等湍流下,下行激光孔径接收光强的概率分布函数服从对数正态分布,最大概率接收功率比与无湍流条件下的功率比值一致,分别为0.42%(1.315 m)和 0.26%(3.8 m)。     

湍流大气中激光传输对傅里叶望远镜成像质量的影响

针对傅里叶望远镜系统激光在湍流大气中传输造成的成像质量下降,分析了湍流对光束传输特性的影响,指出成像质量的下降主要来自于上行传输链路中湍流造成的光束漂移与光束扩展,从而产生光束指向误差。分析了指向误差影响成像的机理。通过数值计算得出了不同强度湍流造成整条上行链路光束指向误差,并通过系统仿真,得到了不同强度大气湍流条件下的成像结果。结果显示:在弱湍流与中湍流条件下（大气折射率结构常数小于10-14 m-2/3）,随机指向误差较小(偏移比小于0.06),复原图像有较好的识别性;在强湍流条件下,成像质量下降严重。因此系统应选择避开强湍流地理位置与时段进行工作。     

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。     

光通信 激光通信

TN929．1 2005053866 月地激光通信系统误码率分析=Bit error rate in lunar- carth optical communication systems[刊,中]／徐科华(哈尔 滨工业大学可调谐激光技术国家重点实验室．黑龙江,哈 尔滨(150001)),马晶…∥半导体光电．-2005,26(1)．- 50-53,57 采用雪崩光电二极管(APD)的Webb-Gaussian模型, 对月地激光链路跟瞄误差和背景光对误码率的影响进行 了理论分析和数值仿真。结果表明,要达到1×10-6的误 码率,跟瞄误差必须控制在15μrad的范围内,脉冲位置调 谐(PPM)字每个时间间隙的背景光子数必须控制在20以 下。同时,对APD的增益系数进行优化也可以降低误码 率。图6参6(严寒)     

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获概率研究

单光子源通常采用基于高斯光束的高度衰减激光脉冲,假设激光束具有初始高斯时域脉冲波形和TEM01模拉盖尔-高斯空域分布.基于折射率起伏的Rytov近似和修正von Karman谱模型,研究了大气湍流对星地量子通信单光子捕获概率的影响;建立了上行信道和下行信道的单光子捕获概率理论模型;针对低轨卫星-地面站间激光链路,对单光子捕获概率进行了分析.结果表明:上行信道的单光子捕获概率强烈依赖于地面折射率结构常数C2n(0),且随着C2n(0)的增加而减小;然而,下行信道的单光子捕获概率并不依赖于C2n(0),即大气湍流对其没有影响.     

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获概率研究（英文）

单光子源通常采用基于高斯光束的高度衰减激光脉冲,假设激光束具有初始高斯时域脉冲波形和TEM_(01)模拉盖尔-高斯空域分布.基于折射率起伏的Rytov近似和修正von Karman谱模型,研究了大气湍流对星地量子通信单光子捕获概率的影响;建立了上行信道和下行信道的单光子捕获概率理论模型;针对低轨卫星-地面站间激光链路,对单光子捕获概率进行了分析.结果表明:上行信道的单光子捕获概率强烈依赖于地面折射率结构常数C_n~2(0),且随着C_n~2(0)的增加而减小;然而,下行信道的单光子捕获概率并不依赖于C_n~2(0),即大气湍流对其没有影响.     

Influence of satellite vibration on optical communication performance for intersatellite laser links

For intersatellite laser links, vibration-induced pointing jitter severely influences the communication quality as a result of intensity fluctuation. In this paper the probability density function of normalized intensity at the receiver is derived in the presence of pointing jitter taking consideration of bias error. Accordingly, the scintillation index is developed to identify the impact of bias error on intensity fluctuation. Furthermore the bit error rate (BER) is obtained as a function of the beam divergence angle and vibration variance. Qualitative analysis is also given, and the numerical simulation is carried out for demonstration. Results suggested that bias error has a significant detrimental impact on optical terminals which should be considered in system design. This work can benefit the intersatellite optical system design.     

Average capacity optimization in free-space optical communication system over atmospheric turbulence channels with pointing errors

A model is proposed to study the average capacity optimization in free-space optical (FSO) channels, accounting for effects of atmospheric turbulence and pointing errors. For a given transmitter laser power, it is shown that both transmitter beam divergence angle and beam waist can be tuned to maximize the average capacity. Meanwhile, their optimum values strongly depend on the jitter and operation wavelength. These results can be helpful for designing FSO communication systems.     

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。     

星地激光通信中分布式接收阵列的特性研究

星地激光通信中,发射机对准误差及大气湍流会引起接收信号衰落,对带前置光放大的阵列接收机,分析了分布式接收阵列的抗衰落性能。研究表明,分布式接收阵列对发射机对准误差引起的衰落具有一定抑制作用,阵列中各子接收孔径之间的距离可根据发射机对准误差及湍流的强弱进行优化设计。与传统式阵列相比,分布式阵列可以采用更窄的发射光束宽度,降低对发射功率的要求。分布式阵列的另一个重要特性还在于:当实际发射机对准误差标准差大于设计值时,通过调整阵列各子接收孔径之间的距离,可以在很大程度上降低发射机对准误差引起的功率损失。     

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。     

Atmospheric turbulence and numerical evaluation of bit error rate (BER) in free-space communication

Bit error rate (BER) is an important parameter in free-space optical (FSO) communication. This paper presents the numerical evaluation of BER by studying the propagation of an initial Gaussian laser beam through turbulent atmosphere. Beam scintillation, spreading and wandering were considered as the atmospheric turbulent effects on the laser beam degradation. Different turbulent conditions and laser beam characteristics were applied to the calculations. The results show that the BER can be influenced considerably by atmospheric turbulence. According to these results the laser beam size and wavelength have also significant effects in the BER values.     

基于超导纳米线单光子探测器深空激光通信模型及误码率研究

高速深空通信是深空探测的关键技术之一,具备单光子灵敏度的激光通信系统将大大提高现有的深空通信速度.然而,单光子条件下的激光通信不仅需要考虑传输环境的影响,还需要考虑实际单光子探测器性能和光子数量子态的分布.本文在不考虑大气湍流影响的情况下,以光电探测模型为基础,引入超导纳米线单光子探测器(SNSPD)系统的探测效率和暗计数,建立了反应系统差错性能的数学模型,提出了系统误码率的计算公式.先对公式中的光强和激光脉冲重复频率对误码率的影响进行仿真,再通过实验结果验证仿真模型.结果表明,光强对误码率的影响最明显,随着光强从0.01光子/脉冲到1000光子/脉冲的增加,误码率从10~(-1)到10~(-7)量级明显下降;激光脉冲重复频率对误码率的影响受到不同光强的制约,但都随着脉冲重复频率的增加呈下降趋势.与此同时,当增加光强或者提高速度时,误码率高于仿真结果,约在10~(-4)量级,其原因可能是实际通信中调制光信号的消光比不足和光纤引入背景噪声提高了系统暗计数.以上模型和实验结果为进一步开展基于SNSPD的月球-地球、火星-地球等高速深空激光通信奠定了基础.     

Analysis of capacity and outage probability for intersatellite optical communications in the presence of random pointing jitter

This work is motivated by the need to achieve the Shannon channel capacity for intersatellite optical communication with intensity modulation and direct detection. In this paper, we investigate the tradeoff between the channel capacity and the outage probability in the presence of random pointing jitter for intersatellite optical links. First, we derive an analytical expression of the outage probability in the absence of bias error, and then the bias error is taken into account. By minimizing the outage probability, we obtain analytically the optimum design of the beam half-width divergence angle $ w_0^{\text{opt}} $ for a given channel code rate. Furthermore, we discuss the tradeoff between the outage probability and the channel capacity and illustrate the results by adopting $ w_0^{\text{opt}} $ in the presence of random pointing jitter. The results obtained are useful for the parametric-estimation optimization of intersatellite optical communication systems.     

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.     

Analysis of free space optical link in turbulent atmosphere

Free space optical (FSO) communication is an upgraded supplement to the existing wireless technologies. FSO technology provides vast modulation bandwidth, unlicensed spectrum, cost effective deployment, low power consumption and less mass requirement. Today, researchers are preliminary focused to use the free space communication systems for inter satellites links. In this paper, the performance analysis of FSO communication link in weak atmospheric turbulence has been analyzed for different atmospheric transmission windows using OOK modulation. The analysis has been done using bit error rate as the performance metric. The effect of attenuation on the link performance has been investigated by varying distance between transmitter and receiver for a given power and data rate. Further, BER performance analysis has been carried out for varying data rate and transmitted power. Also, the effect of attenuation on received optical power has been studied. The work has been performed in OptSim environment.