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...     

空间激光通信中光强起伏尺度特征的数值分析

利用数值模拟的方法，定量地计算分析了空间激光通信中光强起伏问题，得到了准直光束与聚焦光束光强起伏相关距离（不均匀元半径）随大气相十长度变化的结果；进而分别从接收效率和性价比等不同的角度对激光通信系统接收孔径选取的参考因素进行了探讨。根据现代光通信对误码率的最低要求定义最佳接收孔径，计算分析了聚焦光束空间激光通信系统最佳接收孔径随大气相干长度r0的变化关系。结果表明，最佳接收孔径随大气相干长度的减小而迅速增大。对于聚集光束空间激光通信而言，在大气相干长度ro约为4cm的强湍流效应情况下，通信系统的接收孔径接近5倍艾里斑直径，才能满足国际电信联盟-电信标准部对光通信的最低要求。     

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。     

大气环境对激光通信系统的影响(英文)

为了保证光通信精确度,有效地提高光通信系统性能,分析了导致接收光束能量损失,接收信号减弱的成因,找到适合光通信的方法.首先,通过光通信对大气信道衰减的敏感性,分析了光通信在大气传输时所受到的大气环境如雾、雨、雪、大气湍流因素的影响.其次,对大气环境中的雾、雨、雪和大气湍流中光强起伏、光束漂移等因素对光通信的影响做了详细分析.最后,通过数据分析得出适合光通信的大气环境,在合理使用大气激光通信设备的前提下,可以保证光通信的质量.     

激光在湍流大气中传输的闪烁系数及其测量

 理论研究了激光光束经过湍流大气后闪烁系数的变化规律,以ARM7的嵌入式系统构建数据采集模块,在采集激光光强因为大气湍流影响而变化的数据的基础上对存储的数据使用闪烁系数数学模型进行运算,运算结果通过网络传输,由PC端的界面显示变化曲线,从而了构造一个可以感测大气湍流的远程探测系统。用转动的相位板模拟湍流大气,利用所开发的测试系统测量激光光束通过湍流大气后的闪烁系数。实验结果显示高斯光束在湍流大气中的闪烁系数随传输距离的增加而增大,与理论模拟结果基本相符。由此可见该系统工作可靠稳定,可实时测量激光光束经过湍流大气的闪烁系数。     

野战激光通信中多口径发射与大口径接收试验研究

 针对野战无线激光通信中大气衰减和光强起伏问题,分析了大气对激光通信的影响,探讨了多口径发射与大口径接收对大气影响抑制机理,在此基础上,构建了多口径发射和大口径接收试验装置,发射端发射孔径数目可调,接收端光学天线采用卡塞格伦结构,通过在光学天线前面增加不同口径光阑方式,改变天线口径。发射孔径数目增加到4束时,光强起伏方差约为单光束时的1/2,接收口径直径相差1.5倍时,闪烁方差之间相差1.6倍,验证了对大气湍流的抑制效果。根据理论分析与试验结果,对野战激光通信光端机的部分参数进行了优化设计。     

光强闪烁对空间激光授时抖动的影响

基于多相位屏原理并利用功率谱反演法,建立了光强闪烁对脉冲到达时刻抖动的影响模型,仿真研究了不同接收孔径和不同传输距离条件下脉冲到达时刻抖动的变化规律。仿真结果表明:在孔径接收条件下,脉冲到达时刻抖动呈正偏态分布;采用大孔径接收天线可有效抑制脉冲到达时刻的抖动;与近地端相比,传输距离的变化对远地端脉冲到达时刻抖动的影响较小。搭建了大气湍流引起的脉冲到达时刻抖动的实验平台,采集了经过湍流信道传播的秒脉冲波形,利用门限检测法确定了脉冲到达时刻。实验结果表明,脉冲到达时刻抖动分布与理论分析结果相符。     

双向大气信道激光传输的信道互易性研究

在大气信道激光传输中,大气湍流对系统性能会产生较大影响,主要体现为降低传输速率和增加误码率。在具有信道互易性的双向激光传输链路中,两终端光斑信号强度的变化相关,可以在终端提取信道状态信息,以对信道影响进行补偿,从而提高传输速率。本文首先在弱湍流条件下,根据Rytov近似理论推导了平面波双向传输链路接收到的光斑信号的相关系数与传输路径的关系,并给出解析式。结果表明,两终端接收的光斑信号的光通量具有相关性,且相关系数与传输路径有关。进一步搭建了双向收发共轴激光传输系统,并进行了外场试验,试验结果不仅验证了双向大气信道激光传输链路具有互易性,且两接收端光斑信号光强的实时变化趋势相同。本文结论对实现大气信道高速率、低误码率激光传输具有重要意义。     

大气湍流和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展

介绍了大气湍流效应和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展。主要介绍了合成激光在大气中传输的解析和数值模拟研究方法,大气湍流效应对列阵合成光束的光强分布、远场发散角、方向性、曲率半径和湍流距离的影响,以及大气热晕效应对列阵合成光束的光强分布、传输效率、重心偏移、热晕时间尺度和焦移的影响。研究结果表明,大气湍流效应和热晕效应对合成激光光束质量的影响与光束合成方式、合成光束参数以及大气参数密切相关。     

高能激光环形光束近场和远场传输特性

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明:随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.     

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。     

基于重复编码的海上可见光通信大气信道建模

可见光通信作为一种新型无线通信技术，在海上舰船场景中的应用吸引了广泛的关注.海上可见光通信系统受多种因素的影响，包括海浪随机起伏和大气湍流，大气湍流将导致可见光信号的强度随机波动，降低可见光通信系统在大气中的链路质量.本文基于对数正态衰减分布，建立了采用重复编码的海上可见光通信的链路评估模型.在此基础上，根据Pierson-Moskowitz海谱，分析了海上风速、大气折射率结构常数、能见度、重复编码分集度以及接收器孔径对可见光通信系统平均误码率的影响.本文提出的海上大气链路评估模型可为海上可见光通信网络的搭建提供重要参考.     

大气湍流中孔径限制下高斯光束的传播特性

在扩展Huygens-Fresnel原理和Rytov近似的基础上,得到了孔径限制下湍流大气中高斯光束平均光强的积分表达式,利用数值模拟方法分析了轴上和接收面上平均光强的分布,并得到了波阵面半径、传播距离、湍流强度和波长与平均光强的关系曲线图.结果表明在湍流大气中波长、传播距离、发射孔径和波阵面半径的改变会引起平均光强重心的漂移,传播距离增加会导致光束的展宽.     

Bit error rate analysis of MISO FSO systems

Abstract

Multiple-input single-output (MISO) systems are employed in free space optical (FSO) links to mitigate the degrading effects of atmospheric turbulence. In this paper, we consider a MISO FSO system with practical transmitter and receiver configuration that consists of radial laser array with Gaussian beams and a Gaussian receiver aperture function. We have employed our previously derived formulation of the power scintillation in which Huygens–Fresnel principle was employed. Therefore, we choose system parameters within the range of validity of the wave structure functions. Using the on-off keying modulation and the log-normal probability distribution function, we quantify the average bit error rate (〈BER〉) of laser array beams in weak turbulence. It is observed that the radial array beams at the transmitter are more advantageous than the single Gaussian beam. However, increasing the number of array beamlets to more than three seems to have negligible effects on 〈BER〉 . It is further observed that 〈BER〉 decreases when the source size, the ring radius and the receiver aperture radius increase.     

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。     

激光通信中大气闪烁引起探测噪声的计算机模拟

大气瑞流效应是光通信系统中不可忽视的一个重要问题，主要表现为大气闪烁，光束抖动、光束漂移等，这些现象都给探测系统带来附加噪声，使系统的接收灵敏度下降，本文主要讨论激光大气传输中强度闪烁效应（大气闪烁效应）的理论基础，以及强度闪烁的计算机模拟。     

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。     

截断的有振幅调制和位相畸变光束的等效曲率半径

高功率激光通常具有振幅调制和相位畸变. 采用统计光学方法推导了截断的有振幅调制和位相畸变光束在大气湍流中传输 的等效曲率半径R的解析公式.研究表明:随着位相畸变参量、振幅调制参量和光 束截断参量的增大,光束在自由空间中的 R增大,但R受湍流的影响也会增大; 并且高斯光束在自由空间中的R最大, 但其受湍流影响也最大. 因此,在大气湍流中传输到足够远时, 截断的有振幅调制和位相畸变光束的R就要比高斯光束的大.特别地, 相对等效曲率半径R_r随传输距离为非单调变化, 存在一个最小值, 即在该位置处R受湍流的影响最大. 此外, 达到 R_r最小值所需传输距离随光束位相畸变和振幅调制的加剧而增大.