孔径平均效应对采用相位补偿技术的空间相干光通信系统误码率的影响

基于大气湍流影响下的空间相干光通信系统模型和孔径平均效应的平面波模型,通过数值模拟研究了弱光强波动条件下孔径平均效应以及大气湍流内外尺度对相干光通信系统误码率和接收孔径直径最优值的影响。研究结果表明:孔径平均效应能够有效减小相干光通信系统的误码率,改善系统性能;原始信噪比越高,传输距离越短,波长越长,相位补偿模式的J值越大,接收孔径直径越接近最优值,孔径平均效应对误码率的改善效果越明显;孔径平均效应会影响接收孔径直径的最优值,相位补偿模式的J值越大,影响越明显;系统误码率和接收孔径直径最优值会随着大气湍流内尺度的增大而相应增大,随着大气湍流外尺度的减小而相应减小。研究结果将为空间相干光通信系统设计提供必要的理论依据。     

大气湍流对空间光耦合至单模光纤的影响

 根据弱湍理论，考虑湍流强度闪烁、孔径平均效应、湍流波前畸变及耦合系统跟踪误差的影响，导出了空间光到单模光纤的平均耦合效率及耦合功率起伏方差模型。根据Hufnagel-Valley 5/7折射率结构模型，对下行连接及上行连接的平均耦合效率及耦合功率起伏进行了研究。仿真结果表明，对于下行连接，随着地面接收天线孔径的增大，相对功率起伏先是由于孔径平均效应而减小，而后由于湍流波前畸变的影响而逐渐增大；对于上行连接，可忽略湍流波前畸变及孔径平均效应的影响。     

大气湍流及瞄准误差联合效应下自由空间光通信的性能

研究了Gamma-Gamma大气湍流信道下闪烁和瞄准误差联合效应对自由空间光通信的性能影响。假定自由空间光通信系统采用开关键控(OOK)强度调制直接探测(IM/DD),推导得出了系统的误码率和中断概率闭合表达式,分析了大气湍流、归一化波束宽度、平均发射功率、归一化的抖动标准差、信噪比等参数对系统性能的影响。基于推导的闭合表达式进行了数值模拟,结果表明能够在给定发射功率下通过优化波束宽度使系统性能达到最优。     

部分相干光通过强湍流对光强闪烁的影响

在Rytov方差的基础上，利用Andrews的唯像闪烁模型，推导出部分相干光通过强大气湍流后的对数光强起伏方差，并在此基础上进行了仿真。结果表明：与光源的相干性变差，即变为部分相干光后，对数光强起伏方差变小；当采用多束部分相干光通过大气湍流时，接收面上光强起伏方差得到明显改善，而且光束越多，改善越明显。但利用部分相干光通信时，传输距离受限制，所以，光源的相干参数选择要适当。     

高效纠错编码技术在无线光通信中的性能分析

在介绍无线光通信信道及系统模型的基础上,推导了无线光通信未编码系统和RS编码系统在已知信道边信息条件下的平均误码率,从接收光功率和对数振幅起伏方差方面对RS码编码系统和Turbo编码系统的性能进行比较.仿真结果表明,采用编码方案可以有效地改善大气湍流对通信链路性能的恶化,Turbo码编码方案比RS码编码方案能更好地抗大气湍流干扰.     

城市路径下激光光强起伏特性测量及链路余量估算

 在城市环境下进行了3.5 km的激光大气传输实验。实验中对光强起伏和到达角起伏进行了同步测量，分析了接收光强起伏的统计特性以及传输路径上大气折射率结构常数的特性。基于实验结果，对自由空间光通信中不同闪烁指数下的衰落冗余以及不同探测阈值下的衰落概率进行了估算，从而为空间光通信系统的设计提供可靠的实验基础。     

基于幅度相位联合校正算法的8-QAM自由空间相干光通信

提出了基于幅度相位联合校正算法的8阶正交幅度调制(8-QAM)自由空间相干光通信方案。与传统的自由空间光通信方案相比,本文提出的方案不仅无需信道状态信息(CSI)就可以实现对原信号的高精度还原,同时还具有较高的光谱效率。仿真实验表明,当接收端与发射端的频偏f 0=20 MHz、激光器联合线宽Δf=10 kHz、信噪比为20 dB时,该方案在归一化大气闪烁标准差σ=0.25、归一化相位噪声方差σΦ^2=0.07的对数正态湍流信道条件下,其误码率(BER)与未采用联合校正算法的8-QAM系统相比低4个量级。     

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。     

大气光通信中大气闪烁时间平滑效应研究

利用大气闪烁的时间平滑效应,增加光电探测器曝光时间是克服大气闪烁对大气光通信的瞄准、捕获、跟踪链路影响的有效途径之一.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表达式与精确表达式的误差分别小于6%和3%.分析结果表明,孔径越小,时间平滑效应越显著,并且菲涅耳区尺度对时间平滑效应影响的程度也随着孔径的增加而减弱.     

大气闪烁对无线光CDMA通信系统性能的影响

将光CDMA技术应用到无线光通信中。提出了基于脉冲位置调制的二维大气无线光CDMA通信系统，并分析了该通信系统的性能。考虑多用户干扰、APD噪声以及热噪声等干扰因素的影响，采用数值分析的方法，详细分析了大气湍流引起的大气闪烁对二维无线光CDMA通信系统误码率的影响。结果表明，大气闪烁是影响二维无线光CDMA系统误码率性能的一个重要因素；当大气闪烁的对数方差较小(如σ2s=0.1)时，该系统可以实现高速率通信；当大气闪烁的对数方差较大(σ2s≥0.2)时，在有限的光功率条件下，该系统难以实现通信，需要采用信道编码技术来提高系统的误码率性能。     

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.     

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。     

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。     

基于高阶累计量的大气光通信自适应信号处理

针对强湍流信道下信号衰落的特点,分析了对数正态分布模型与K分布模型的适用范围.基于K分布模型建立大气光通信接收信号模型,并给出了自适应最优门限检测方法.采用四阶和六阶累计量对强湍流信道参量进行估计,采用二阶累计量对其它高斯噪音进行估计,得到K分布参量及高斯噪音统计量的预测值,实现自适应门限更新.基于Monte Calro算法进行仿真,给出了门限更新算法对通信系统误码率的影响,同时分析了信号采样率对估计参量偏差的影响.计算表明,在强湍流情况下,大气光通信系统的误码率性能得到极大的改善,优于基于MLSD检测的接收机.     

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。     

Effect of atmospheric turbulence on propagation of ultraviolet radiation

We investigate the effect of atmospheric optical turbulence on ultraviolet (UV) radiation with a wavelength of 253.7 nm. The normalized irradiance variance (scintillation index) was measured using a UV scintillometer with a path length of 185 m. The dependence of the UV scintillations on the atmospheric turbulence structure parameter and inner scale was determined through simultaneous measurements of these quantities made with a visible laser scintillometer. The dependence of the UV scintillation index and its probability density function on receiver aperture size was also measured. It was found that the scintillation predicted by currently available models which take into account the effects of inner scale, saturation and aperture averaging was in good agreement with the measurements made under various conditions in weak turbulence.