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.     

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获理论研究

基于TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束,推导自由空间量子密钥分配中单光子捕获概率表达式。针对低轨卫星-地面站间激光链路进行单光子捕获分析。结果表明：采用可高度衰减激光脉冲的TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束作为单光子源,单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法,可使卫星上接收机以最大概率捕获光子。与基模高斯光束相比,采用TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束的优点是,不会由于卫星运动而增加单光子捕获概率的损耗。     

Further analysis of scintillation index for a laser beam propagating through moderate-to-strong non-Kolmogorov turbulence based on generalized effective atmospheric spectral model

A new expression of the scintillation index(SI) for a Gaussian-beam wave propagating through moderate-to-strong non-Kolmogorov turbulence is derived, using a generalized effective atmospheric spectrum and the extended Rytov approximation theory. Finite inner and outer scale parameters and high wave number "bump" are considered in the spectrum with a generalized spectral power law in the range of 3–4, instead of the fixed classical Kolmogorov power law of 11/3. The obtained SI expression is then used to analyze the effects of the spectral power law and the inner scale and outer scale on SI under various non-Kolmogorov fluctuation conditions. These results will be useful in future investigations of optical wave propagation through atmospheric turbulence.     

Selection of Acquisition Scan Methods in Intersatellite Optical Communications

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｆｏｒｖｅｒｙｈｉｇｈｄａｔａｒａｔｅｓ,ｉｎｔｅｒｓａｔｅｌｌｉｔｅｏｐｔｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ (ＩＯＣ)ｈｏｌｄａｐｏｔｅｎｔｉａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｄｇｅｏｖｅｒｍｉｃｒｏｗａｖｅ (ＲＦ )ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｔｅｒｍｓｏｆｈｉｇｈｅｒｄａｔａｒａｔｅｓ,ｓｍａｌｌｅｒａｎｔｅｎｎａｓａｎｄｌｏｗ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｏｆｊａｍｍｉｎｇａｎｄｉｎｔｅｒｃｅｐｔ[1] .ＷｉｔｈｔｈｅｗｉｄｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＩＯＣｔｅｃｈｎｏｌ…     

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获理论研究

基于TEM10模拉盖尔-高斯光束,推导自由空间量子密钥分配中单光子捕获概率表达式.针对低轨卫星-地面站间激光链路进行单光子捕获分析.结果表明:采用可高度衰减激光脉冲的TEM10模拉盖尔-高斯光束作为单光子源,单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法,可使卫星上接收机以最大概率捕获光子.与基模高斯光束相比,采用TEM10模拉盖尔-高斯光束的优点是,不会由于卫星运动而增加单光子捕获概率的损耗.     

量子点红外探测器在空间光电系统中的应用

为了更好地开发和利用空间资源,各国竞相通过向空间发射卫星、空间站、航天飞机等航天器来建立探测站点和通信网络以占据具有最大优势的位置,其中空间光电系统在探索新资源方面起到关键的作用.点对点的距离远、空间辐射强、温差较大等空间环境因素严重影响着光电系统性能的发挥,也向空间光电系统的稳定性和可靠性提出了挑战.本文提出将具有较高的探测灵敏度、工作温度、抗辐射能力和响应带宽的新型量子点红外探测器应用于空间光电系统,阐述了量子点红外探测器的基本工作原理和优点,并讨论了量子点红外探测器在空间应用的技术要求,分析了其在空间的激光雷达、卫星光通信和成像或者非成像系统中的应用.     

空间光通信的到达角起伏实验研究

 2006年上半年进行了距离为3 200 m的光束传输实验，对到达角起伏进行了24 h昼夜观测。实验中，每分钟进行一次连续测量，每次以1 kHz的信号采样频率连续采集10 s，得到10 000个到达角起伏实验数据，并反映了0.2~500 Hz频段的信息。根据高采样频率下的到达角起伏昼夜观测数据，分析了到达角起伏效应，并通过到达角起伏时间平滑因子，对曝光时间的平滑作用进行了研究。昼夜观测实验结果表明：在天气阴霾、能见度低的情况下，到达角起伏会显著减小；在强湍流区，到达角起伏出现饱和效应，在弱湍流区，到达角起伏的强度随着湍流强度的增加而增强；到达角起伏幅度随着曝光时间的增加而减小，由归一化协方差拟合关系得到的时间平滑因子计算结果与实验直接分析得到的结果一致。     

强湍流区的光束漂移

 基于修正Rytov理论，导出了适应于强湍流起伏区的光束漂移方差表达式，分析了湍流外尺度、有效散射区域尺度和光束束腰对光束漂移的影响，并与实验结果进行了比较。结果表明，相对于基于指数模型的光束漂移方差表达式，基于修正Rytov理论给出的表达式的计算结果能更好地与实验结果吻合。当光束束腰大于有效散射区域尺度时，不发生饱和效应，导出的表达式与传统理论给出的表达式一致；当光束束腰小于有效散射区域尺度时，光束漂移的幅度不随Rytov方差的增大而明显变化。     

孔径接收下大气闪烁频谱的理论和实验研究

 基于孔径接收下的对数振幅时间相关函数，推导了弱湍流起伏条件下大气闪烁频谱的表达式，分析了接收孔径对大气闪烁频谱的影响。通过完成水平大气传输实验，实际测量了孔径接收下的大气闪烁频谱。实验结果验证了理论计算。结果表明，孔径接收下的大气频谱分为低频段和高频段两部分，低频谱为常数，高频谱呈幂指数关系变化，且幂指数为-11/3；随着接收孔径增大，频谱在各频率点上的幅值逐渐减小，其形状保持不变。     

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。