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.     

探测大气湍流的光强闪烁激光雷达

基于残余光强闪烁理论,分析了与大气湍流探测有关的激光雷达各项硬件参数并获得参数的优化范围,据此研制了一台用于大气湍流探测的光强闪烁激光雷达。背景基线、线性特征等性能测试表明,激光雷达各硬件工作正常,数据获取可靠。实验测量中获得了水平方向上闪烁指数和大气折射率结构常数随探测距离和时间的变化趋势,其中闪烁指数在450~2000 m探测距离范围内由0.001逐渐增大至0.350左右;大气折射率结构常数基本保持水平均匀性,在1.010-16~1.010-15m-2/3范围之内;大气折射率结构常数在10:00~21:00时间内大致呈现上午上升、下午下降、晚上上升的变化趋势,具有较明显的日变化特征。实验结果与理论和常规测量较为相符,表明光强闪烁激光雷达能够获取大气湍流的探测距离变化和日变化特征信息。     

探测大气湍流的光强闪烁激光雷达

基于残余光强闪烁理论,分析了与大气湍流探测有关的激光雷达各项硬件参数并获得参数的优化范围,据此研制了一台用于大气湍流探测的光强闪烁激光雷达。背景基线、线性特征等性能测试表明,激光雷达各硬件工作正常,数据获取可靠。实验测量中获得了水平方向上闪烁指数和大气折射率结构常数随探测距离和时间的变化趋势,其中闪烁指数在450~2000 m探测距离范围内由0.001逐渐增大至0.350左右;大气折射率结构常数基本保持水平均匀性,在1.010-16~1.010-15m-2/3范围之内;大气折射率结构常数在10:00~21:00时间内大致呈现上午上升、下午下降、晚上上升的变化趋势,具有较明显的日变化特征。实验结果与理论和常规测量较为相符,表明光强闪烁激光雷达能够获取大气湍流的探测距离变化和日变化特征信息。     

大气激光通信的实验测量

设计了大气激光通信信道测量系统，利用此系统在不同气象条件下进行了近地视距实验测量并采集了不同天气条件下的实验数据，详细分析讨论了所得实验数据并进行了误差分析．同时实验中获得了大量数据，为进一步完善大气激光信道模型提供了有力的依据．     

大气湍流对空间激光通信跟踪系统的影响

基于大气信道内的空间激光通信演示验证实验,对系统光斑跟踪精度的影响因素进行了分析,研究了大气湍流对光斑跟踪精度的影响,建立了光斑质心检测模型,设计了一套信标光光斑粗精复合跟踪系统.搭建了室内测试实验系统,完成了大气湍流对光斑跟踪精度影响的测量,结果表明在中弱湍流时,跟踪精度随湍流增大有近似线性关系,系统整体跟踪精度在5~15μrad之间,可较好地完成光斑跟踪功能.在野外环境开展的飞机-飞机激光通信演示实验中,对伺服系统的跟踪性能及跟踪精度进行实际测量,整体跟踪精度不大于15μrad,与室内实验测试系统基本一致.     

部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应

以修正Rytov方法为基础,利用部分相干高斯-谢尔(GSM)光束模型并结合Andrews的唯像闪烁模型,研究部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应。推导出适用于不同湍流情形的部分相干光对数光强起伏方差表达式,系统分析了部分相干光在大气湍流中的光强起伏方差。结果表明:在同等的湍流环境下,部分相干光比完全相干光的光强起伏方差要小;光束相干性越差,光强起伏越小,抗湍流能力越强。在不同大气湍流情形下,光源相干性、大气折射率常数等参数对光强起伏都有不同程度的影响。     

多发射机在大气激光通信中的应用

大气湍流引起的光强闪烁会严重影响大气激光通信系统的性能,使误码率增加。研究表明误码率随对数振幅方差（湍流强度）的增加而上升,为了减小误码率,可以采用多点发射以减小大气湍流对系统的影响,从而提高系统的可靠性。     

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.     

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。     

大气激光通信链路的性能仿真

大气衰减和大气湍流严重影响着大气激光通信的链路质量。建立了大气信道的激光通信链路模型，研究了衰减信道和湍流信道中光链路的传输影响，对最大通信速率、链路功率余量和误码率进行了分析和计算。结果表明，大气湍流严重影响系统误码率，当大气闪烁指数斫是0．07时，可达到的最小误码率为10^-9。分析结果可为系统设计提供参考依据。     

大气激光通信的实验测量(英文)

设计了大气激光通信信道测量系统,利用此系统在不同气象条件下进行了近地视距实验测量并采集了不同天气条件下的实验数据,详细分析讨论了所得实验数据并进行了误差分析.同时实验中获得了大量数据,为进一步完善大气激光信道模型提供了有力的依据.     

Ground-to-Satellite Optical Communication Link Performance with Spatial Diversity in Weak Atmospheric Turbulence

Abstract

In this article, performance improvement of a free-space optical communication link with spatial diversity is evaluated for coherent (sub-carrier BPSK and sub-carrier QPSK) and non-coherent (OOK and Q-PPM) modulation schemes in an atmospheric turbulence fading channel. Based on Kolmogorov's theory, the link performance characterized by the signal-to-noise ratio or bit error rate is evaluated for both modulation schemes. It is observed that there is performance improvement with the increase in the order of transmit diversity for all the modulation schemes. Sub-carrier BPSK modulation outperforms the other modulation schemes in terms of the minimum signal-to-noise ratio requirement for a given bit error rate. Also, the effect of correlation among different transmitting antenna beams on the link performance is analyzed.     

Study of Scintillation for Infrared Laser Beam Propagating in Atmospheric Turbulence on Earth-Space Paths

On earth-space paths, by applying a modification of the Rytov method that incorporates spatial frequency filter function under strong atmosphere fluctuation conditions, a tractable model is developed for the scintillation index of infrared laser Gaussian beam wave that is valid under moderate-to-strong irradiance fluctuations. At Infrared band, based on ITU-R C ² _n model, the scintillation indexes for collimation laser beam are predicted by this analytic model. The results agree with theoretic expected scintillation. This scintillation model can be converted into a plane or a sphere wave scintillation index model on earth-space paths, and also reduced to a Gaussian beam wave model on horizontal sight paths of invariable C ² _n.     

空间激光通信中湍流信道光束传输仿真

对大气光信道特性的研究是空间激光通信研究的重要组成部分。首先以大气湍流理论为基础,阐述了激光在大气中传输时受到的大气湍流的影响和分析方法。接着重点对近年来应用日益广泛的空间激光通信的数值仿真方法进行了综述。不仅介绍了基本传输方程及其求解方法,还对采用数值方法模拟光波在随机介质中传播的若干关键技术进行了分析。最后结合现有的研究成果,说明了数值方法在空间激光通信中的应用。     

Sensing Atmospheric Turbulence by Laser Radiation

Atmospheric turbulence sensing by lateral fluctuations of thin beams is described. Practical use of correlation functions of lateral fluctuations to investigate the refractive index spectrum and its parameters, inner and outer scale and structure constant, is presented. A “maximum” method is also shown to derive the inner scale independently of the other parameters, without either knowing much of the turbulence or solving an inverse problem.Presented at the International Commission for Optics Topical Meeting, Kyoto, 1994.     

Acquisition Time for Ground-to-Satellite Optical Communication System in Weak Atmospheric Turbulence with Spatial Diversity

Abstract

In this article, various issues involved in a ground-to-satellite optical communication link (i.e., acquisition time, uncertainty area, and channel noise) are discussed. Acquisition time of a free-space optical link is evaluated for coherent (sub-carrier BPSK and QPSK) and non-coherent (OOK and -PPM) modulation schemes over weak turbulent channel with transmit diversity. In the analysis, both uncorrelated and correlated beams are considered. It is seen that an increase in transmit diversity order helps to improve the acquisition time, irrespective of turbulence strength in the atmosphere. At high correlation, a marginal change in acquisition time is observed with the increase in diversity order.     

地物散射和大气湍流导致的激光闪烁统计

通过分析大气湍流和地物散射对传输激光束的调制机理，运用双随机统计理论研究了空－地－空传输路径空载探测器接收到光闪烁统计问题。闪烁统计由大气湍流和地物（岩石，海洋和森林等）散射的联合效应给出，分析中采用最速下降法处理概率积分，获得了与岩石，海洋和森林二大类地物散射体对应的闪概率密度函数，广义Ｃｈｉ－Ｓｑｕａｒｅｄ地面散射与大气湍流综合调制效应明显地压缩了概率分布的宽度并使分布函数的峰值移向归一化强度