大气湍流对轨道角动量态复用系统通信性能的影响

通过数值仿真,以多个相位屏模拟大气湍流,研究大气湍流对轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)态复用通信系统质量的影响.改变大气湍流折射率结构常量C2n和传输距离z,分析其对OAM态复用系统归一化接收功率、误码率等的作用.研究结果表明当大气湍流强度增加和传输距离增长时,复用系统归一化接收功率下降、误码率增加.当C2n增大到5×10-13 m-2/3时,系统归一化接收功率下降到0.2以下,误码率增大到0.3以上;当传输距离增大到10 000m,系统归一化接收功率下降到0.3以下,误码率增大到0.35以上.同时,对比不同方位角指数l取值的两个OAM态复用系统受大气湍流的影响,发现:l取值越接近的系统,受大气湍流影响越大.在等同光学信噪比下大气湍流导致OAM态复用系统误码率性能降低2至3个数量级.该研究对OAM态复用系统的实用化具有积极的参考作用.     

汉克-贝塞尔光束在海洋湍流信道中的螺旋相位谱分析

携带轨道角动量的汉克-贝塞尔(Hankel-Bessel,HB)光束具有无衍射和自聚焦特性,用来作为信息传输的载体有望增大信息传输容量.基于Rytov近似理论,推导得到了HB涡旋光束经过海洋水平弱湍流信道后的螺旋相位谱的解析表达式,并利用数值仿真方法研究了海洋湍流参数对轨道角动量模式探测概率的影响.结果表明,海洋湍流导致发射轨道角动量模式的探测概率下降,出现模式串扰和螺旋相位谱扩展.海洋湍流对HB涡旋光束的负面影响随着轨道角动量模式数、传输距离、温度方差耗散率的增加而增强,随湍流动能耗散率的增加而减弱.HB涡旋光束受以盐度波动驱动的海洋湍流的负面影响更大.另外,在弱湍流及几十米传输距离条件下,HB涡旋光束的传输性能要差于最佳束腰大小设置的拉盖尔-高斯涡旋光束.这些结果有望为海洋环境水下光通信链路的实现提供一定的参考价值.     

大气湍流信道中聚焦涡旋光束轨道角动量串扰特性

携带轨道角动量的涡旋光束作为传输信息的载体能有效提高信息传输效率,然而在传输过程中受大气湍流影响轨道角动量会发生串扰.基于螺旋谱分析理论,推导得到了聚焦拉盖尔高斯光束在各向异性大气湍流中传输时的螺旋谱解析表达式,并对比分析不同湍流和光束参数对聚焦与非聚焦拉盖尔高斯光束接收功率的影响,最后利用多相位屏法进行模拟验证.结果表明:随着传输距离、湍流强度、拓扑荷数的增大以及湍流内尺度、光束波长的减小,接收功率减小,轨道角动量串扰增大;接收孔径到达一定值时对轨道角动量串扰的影响非常小;聚焦光束比非聚焦光束的轨道角动量串扰要小.这些结果将对提高自由空间光通信的质量有一定意义.     

OFDM-OAM光信号在大气湍流中的传输

在自由空间传输的过程中,轨道角动量(OAM)光束会受到大气湍流的影响,其螺旋相位会产生畸变,导致解调后的信号质量下降。为了研究不同湍流条件下大气湍流对正交频分复用(OFDM)-OAM光信号的影响,使用non-Kolmogorov湍流模型,通过改变模型中折射率结构常数C■和大气指数α模拟不同情况下的大气湍流,测试OAM光信号经过湍流模型后的解调高斯光强图样、光束强度以及其携带的OFDM-16QAM信号的误码率。实验结果表明:non-Kolmogorov湍流模型中C■和α的改变会对解调后的高斯光束以及探测到的OFDM信号产生一定的影响,而在发送端进行信道编码可以从一定程度上改善湍流对传输信号的影响。     

海洋湍流随机相位屏模型

提出一种海洋湍流随机相位屏模型。以海水折射率波动谱为基础,通过功率谱反演法将海洋湍流引起海水介质的折射率变化对传输光束产生的影响等效为随机相位屏对光束的影响,并利用相位结构函数和轨道角动量光束在海洋湍流中的传输特性验证该模型的有效性。研究结果表明:在光束折射率偏移量较小时,由随机相位屏模型获得的相位结构函数仿真值与理论值可较好地吻合;由随机相位屏模型获得的轨道角动量光束传输特性也与理论分析结果相一致。     

强背景光下可见光大气湍流信道建模及分集接收技术

可见光大气传输系统面临的主要问题在于由大气湍流引起的光强闪烁和来自日光及其他照明设备的强背景光干扰,为了克服大气湍流造成的信道衰落效应及强背景光带来的噪声干扰问题,对室外可见光通信(VLC)强背景光大气湍流信道进行了建模。在接收端采用分集接收技术,在相同的发射功率下提高系统误码率(BER)性能。构建了在强背景光大气湍流信道模型下基于强度检测脉冲位置调制(PPM)方式的室外长距离可见光分集接收系统模型,在几十微瓦功率背景光噪声下,实现了800 Mb/s PPM信号的仿真系统传输。基于此系统分别研究对比了最大比合并(MRC)、等增益合并(EGC)、选择性合并(SC)3种分集合并方式的误码率性能。结果表明,在相同的发射功率下,误码率性能提升最大的是MRC,其次是EGC,SC最差。以7%前向纠错码(FEC)误码门限作为参考,MRC能显著降低对LED发射功率的要求,并且随着分集支路个数的增多,分集效果越好。     

大气湍流对多抖动法相干合成技术中相位调制信号的影响

分析了大气湍流对采用多抖动法实现的相干合成阵列光束中相位调制信号的影响. 文章首先根据广义惠更斯-菲涅耳原理,采用折射率结构函数对大气湍流进行描述,推导了多抖动法相干合成中阵列光束通过大气湍流后相位调制信号的一般表达式. 在此基础上进行数值模拟,分析了传输距离、湍流强度、光束阵列占空比和光斑尺寸等因素对相位调制信号的影响. 研究发现随着传输距离的增大,相位调制信号强度会先增大后减小,存在一个极大值点;随着湍流强度的增强,相位调制信号强度极大值点的出现距离不断缩短;当光束阵列占空比一定时,随着光斑尺寸的增大 关键词： 大气湍流 相干合成 多抖动法 相位调制     

基于激光光束轨道角动量的8位数据信号产生与检测的实验研究

本文研究了利用激光光束的轨道角动量进行8位数据信息传输的技术. 建立了一套利用光束轨道角动量进行8位数据信息传输的系统, 在信息调制部分采用可选通控制的光源阵列和相位调制屏实现光束轨道角动量态的编码复用, 在信息解调部分采用二元振幅光栅进行轨道角动量态检测,实现了无误码的数据信息传输.     

海洋湍流对光子轨道角动量量子通信的影响

本文研究了基于光子轨道角动量的量子通信在水下量子信道中受海洋湍流运动的影响.基于Elamassie等提出的海洋湍流功率谱模型,本文建立了不同海洋湍流参数与光子轨道角动量量子通信的单光子探测概率、信道容量、密钥产生率以及双光子共生纠缠度的定量关系,并利用纠缠光子对的共生纠缠度在海洋湍流中的普适衰减特性进一步研究了轨道角动量纠缠光子对在海洋湍流中的最大纠缠距离.研究结果表明:水下量子通信性能和纠缠光子对的共生纠缠度都随海洋湍流的湍流动能耗散率的增大或温度方差耗散率的减小而降低;温度和盐度因素对海洋湍流贡献的比值对水下量子通信的影响在海水是否稳定分层的条件下具有显著的区别;在通过海洋湍流进行量子通信时,增加信号光子的初始轨道角动量量子数可以提高量子密钥分发的密钥产生率和纠缠光子的纠缠衰减抵抗性.     

大气信道中单光子轨道角动量纠缠特性的研究

本文讨论了大气信道中轨道角动量纠缠光子对的纠缠度, 并利用von Karman大气湍流谱来建立双光子纠缠度的模型, 分析了大气湍流对不同轨道角动量纠缠光子对纠缠度的影响. 研究表明: 在大气信道中, 由于大气湍流的存在, 纠缠光子对的纠缠度随着传输距离z的增加而减小; 大气湍流强度越大, 纠缠光子对的纠缠度下降的越快, 纠缠光子对传输的距离越小; 在湍流强度相同的大气信道轨道角动量指数越大的纠缠光子对, 纠缠度下降得越慢, 纠缠光子对传输的距离越远.     

基于改进Xception实现涡旋光束轨道角动量识别

当光束在海洋中传输时,湍流的存在会严重影响光束的质量,导致接收端光场产生扭曲和退化现象。为解决该问题,提出一种基于改进深度可分离网络（IXception）的方法,用于实现通过海洋湍流传输的涡旋光束轨道角动量模态识别。采用分步相位屏的思想,基于功率谱反演法仿真涡旋光束在海洋中的传输过程,并建立入射光场发生的退化、扭曲的散斑场数据集,用数据集来训练IXception识别散斑场中涡旋光束的轨道角动量。IXception延用Xception架构思想,结合了残差结构和倒置残差结构,能够提取高度空间深度特征,减少网络结构参数的冗余,增强泛化能力。研究结果表明,IXception在20 m和80 m湍流中对扭曲光场轨道角动量的识别率达到了99.20%与97.9%。随着传输距离的增加,IXception的识别率会略有降低,但与Xception模型相比,IXception识别性能更好。     

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。     

部分相干光通过强湍流对通信系统误码率的影响

为研究部分相干光通过强湍流对系统误码率的影响,借助对激光在大气湍流场中的传输方程进行解析求解(忽略系统中其他噪声,仅考虑由大气湍流引起的系统误码率),得到不同湍流内尺度、传输激光波长和光源相干参数条件下,系统误码率和传输距离的关系.结果表明:在强湍流条件下,当发射天线数目达到一定时,随着传输距离的增加,系统误码率逐渐增大,但增大到一定程度后趋于饱和;光源相干参数越大,系统误码率越低;湍流内尺度越大,系统误码率越高;传输激光波长的变化对系统误码率无明显影响.     

自相位调制和交叉相位调制共同作用下抽运探测波结构中的信号扰动研究

针对强度调制直接检测波分复用系统研究了抽运探测波结构中自相位调制和交叉相位调制共同作用下的光信号传输,给出了确定任意抽运信号下的探测波时域波形及强度调制率的理论解析方法,分析了信道间隔、传输速率对于交叉相位调制的影响,发现抽运波自相位调制的作用主要体现在使探测波时域强度调制率有所增大,解析结果和数值仿真能较好地吻合。     

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.     

基于机器学习检测相位畸变后的涡旋光束轨道角动量

针对涡旋光受大气湍流而产生的相位畸变问题,设计了卷积神经网络检测涡旋光束轨道角动量态.将相位畸变的拉盖尔高斯涡旋光光强图像作为样本数据输入,网络利用输入的数据集进行自主学习,经过多次迭代能够精确检测出光束高阶轨道角动量信息.仿真结果表明:在大气湍流强度不确定的情况下,模型对轨道角动量态范围为1～40、1～100、1～1...     

在大气湍流斜程传输中拉盖高斯光束的轨道角动量的研究

大气湍流引起大气折射率随机变化,导致空间不均匀性.拉盖高斯光束在大气湍流中传输时,空间不均匀性会使光子波函数改变,引起轨道角动量的变化.本文讨论了拉盖尔高斯光束在大气斜程传输时,湍流介质改变光子轨道角动量而形成不同的光子态.计算了螺旋谐波各分量所占光束总能量的权重,分析了拉盖高斯光束的轨道角动量的变化规律.     

大气湍流下的轨道角动量编码测量设备无关量子密钥分发

基于Kolmogorov及非Kolmogorov湍流模型,分析了大气湍流对光子轨道角动量(OAM)的散射效应,得到了探测端不同OAM模式的概率。分析了两种湍流条件下OAM编码测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)的密钥生成率与最大传输距离。仿真结果表明,当光束在大气信道传输时,光束的径向强度逐渐增大,湍流对光子OAM的散射效应逐渐增强,初始OAM发散为相邻OAM模式并趋于无规则分布,探测端测得初始OAM模式的概率不断减小。大气湍流下OAM编码MDI-QKD的最大传输距离比偏振编码MDI-QKD的长约10km。     

基于相位调制器产生六倍频光毫米波的OFDM信号光传输系统研究

提出了两个并行相位调制器产生六倍频光毫米波并传输正交频分复用信号的全双工光纤无线通信系统.将2.5 Gbt/s的正交频分复用信号调制到60 GHz光毫米波上.从理论上分析了毫米波产生的原理,并分别模拟了毫米波信号承载OOK信号和正交频分复用信号在光纤中的传输性能.从而验证系统的可行性.仿真模拟结果表明,在光纤无线通信系统中,正交频分复用比非归零码更具有优势.     

基于相位调制器产生六倍频光毫米波的OFDM信号光传输系统研究

提出了两个并行相位调制器产生六倍频光毫米波并传输正交频分复用信号的全双工光纤无线通信系统.将2.5Gbt/s的正交频分复用信号调制到60GHz光毫米波上.从理论上分析了毫米波产生的原理,并分别模拟了毫米波信号承载OOK信号和正交频分复用信号在光纤中的传输性能.从而验证系统的可行性.仿真模拟结果表明,在光纤无线通信系统中,正交频分复用比非归零码更具有优势.