湍流大气光通信系统误码率分析与实验研究

自由空间光通信(FSO)系统的性能由于受大气湍流影响会产生剧烈波动。根据系统和大气参数评估系统差错性能的研究具有现实意义。以大气湍流信道和光电探测两个模型为基础,建立了FSO系统差错性能的数学仿真模型,提出了湍流条件下系统误码率计算公式。对仿真结果与弱湍流条件下获得的实验数据进行了比较,并依据此模型对光强起伏和背景噪声等因素的影响进行仿真。仿真结果表明,基于该模型的仿真结果与实验数据一致,光强起伏是引起系统性能波动的主要因素,最优判决阈值需根据实际大气条件进行调整。该模型可有效评估湍流条件下FSO系统性能,并为相关理论研究提供参考。     

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.     

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。     

大气湍流中空间光至单模光纤耦合的跟踪算法

通过模拟湍流波前的振幅起伏及相位起伏,研究了采用CCD探测器的湍流波前倾斜校正系统的空间光到单模光纤耦合功率的衰落特性,对CCD图像的跟踪算法进行了研究。仿真结果表明,在接收孔径直径与Fried 参数的比值较大时,采用质心跟踪算法的倾斜校正系统的性能很差,耦合光功率会产生严重衰落。提出了一种高斯模板匹配的倾斜校正跟踪算法,在湍流较强时,可以有效地降低耦合光功率的衰落深度,并且可以避免采用质心算法可能出现的大孔径接收性能低于小孔径的不利情况。     

大气湍流中空间光至单模光纤耦合的跟踪算法

 通过模拟湍流波前的振幅起伏及相位起伏,研究了采用CCD探测器的湍流波前倾斜校正系统的空间光到单模光纤耦合功率的衰落特性,对CCD图像的跟踪算法进行了研究。仿真结果表明,在接收孔径直径与Fried 参数的比值较大时,采用质心跟踪算法的倾斜校正系统的性能很差,耦合光功率会产生严重衰落。提出了一种高斯模板匹配的倾斜校正跟踪算法,在湍流较强时,可以有效地降低耦合光功率的衰落深度,并且可以避免采用质心算法可能出现的大孔径接收性能低于小孔径的不利情况。     

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。     

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。     

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。     

星地光通信地面站空间分集技术研究

通过建立星地光链路模型对地面站空间分集技术中站址的选择、站址间距离以及地面站数量进行研究,结果表明:站址的合理选择可以提高星地链路的可用性;站址间的距离在保证各站天气不相关的同时不能过大,当站址间距离与卫星高度的比值达到1时,由链路天顶角增大带来的衰减高达10 dB以上;单地面站的可用性越高,所需的地面站数也越少,当单站的可用性达到0.6时,只需3个地面站即可达到与射频链路相当的高可用性。     

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。     

大气激光通信非对称限幅光正交频分复用技术

将一种新的正交频分复用调制技术运用到大气激光通信系统中,分析了采用这种非对称限幅光正交频分复用调制技术的大气激光通信系统在大气湍流信道下的性能.在此基础上,把非对称限幅光正交频分复用调制方案与传统的开关键控及直流偏置光正交频分复用调制方案进行了比较,并在大气湍流信道中进行了仿真.仿真结果表明:非对称限幅光正交频分复用调...     

大气湍流对光学系统图像分辨力的影响

讨论了大气湍流对空 地和地 空光学系统图像分辨力的影响。大气相关长度r0是评定大气湍流是否影响光学系统图像分辨力的主要依据。采用不同的大气湍流模型,通过计算相关长度得到了大气湍流对系统图像分辨力的影响,并对空 地与地 空系统的大气相关长度进行了计算比较。结果表明:对空 地观测系统来说,大气相关长度是大气层高度和反映大气湍流特征的C2n的函数。而对地 空观测系统来说,大气相关长度与高度几乎无关。分析了大气湍流对机载和星载光学遥感系统成像分辨力的影响。     

大气湍流对航空光电侦察图像质量影响因素分析北大核心CSCD

大气湍流效应是严重影响航空光电侦察系统图像质量的重要因素之一。从大气湍流参数描述出发,研究了大气湍流对光学系统成像质量的影响机理,分析了大气湍流影响光学系统调制传递函数(modulation transfer function,MTF)的影响因素,建立了大气湍流影响光学系统成像MTF的理论模型。仿真结果表明,在大气湍流影响下,光学系统光瞳口径与大气相干直径的比值对光学系统成像MTF影响较大。通过光学系统地面外场实验图像测试对比,验证了实际光学系统受到大气湍流影响后的成像MTF理论模型。研究结果可为大气湍流影响下的航空光电侦察系统设计及提升其成像质量提供理论支持。     

近地面大气光学湍流空间相关特性的实验研究

本文提出了基于光纤湍流传感器阵列的大气光学湍流空间相关函数测量原理, 并确定了具体的测量方案和数据统计方法. 利用光纤湍流传感器阵列在近地面开展了大气光学湍流空间相关特性的实验测量研究, 尽可能全面地展示光学湍流空间相关函数的各种形式. 结果表明, 大气光学湍流的一维空间相关函数主要表现为两种结构形态, 其一, 58.7%基本符合各向同性湍流空间相关函数模型, 其相关函数在一定尺度范围内呈现随尺度的增大而减小的趋势, 当超过该尺度时, 相关系数接近于0; 其二, 另有37.9%表现为与尺度无关, 相关系数维持在0附近小幅度随机振荡. 不难发现:光学湍流的空间相关特性主要取决于湍流的强弱和湍流是否得以充分发展, 同时, 湍流的相干结构将引起空间相关函数的小幅度振荡. 以空间布点探测直接获取光学湍流空间相关函数的方法, 不仅为分析湍流空间结构奠定了实验基础, 同时, 也为进一步建立非K湍流模型提供了理论开端.     

自由空间光通信系统中光脉冲展宽问题的研究

针对自由空间光通信系统,分析了大气色散、大气湍流以及光学系统对光脉冲信号展宽的影响。给出理论分析、计算与仿真结果。证明了大气色散是引起脉冲展宽的主要因素,在某些条件下是不能忽略的。     

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。     

Modal correction for fiber-coupling efficiency in free-space optical communication systems through atmospheric turbulence

High-speed free-space optical communication systems have recently used fiber-optical components. The coupling efficiency with which the received laser beam can be coupled into a single-mode fiber is noticeably limited by atmospheric turbulence due to the degradation of its spatial coherence. Fortunately, adaptive optics (AO) can alleviate this limitation by partially correcting the turbulence-distorted wavefront. The coupling efficiency improvement provided by Zernike modal AO correction is numerically evaluated. It is found that the first 3-20 corrected polynomials can considerably improve the fiber-coupling efficiency. The improvement brought by AO is compared with that brought by a coherent fiber array. Finally, a hybrid technique that integrates AO and a coherent fiber array is proposed. Results show that the hybrid technique outperforms each of the two above-mentioned techniques.     

近地层大气光学湍流的分形和间歇性特征分析

利用光纤湍流测量系统获得了合肥西郊科学岛上气象观测场内下垫面平坦的水面上方0.48m、草地上方1.8m和23m高处的大气折射率起伏的观测数据,采用R/S分析法计算了近地层大气光学湍流的赫斯特指数和分形维数,统计分析了分形维数的日变化特征及概率分布特征。结果表明:对于一天的不同时段,分形维数在一定范围内动态变化,且中午时段相对稳定;在三种下垫面条件下,全天分形维数的值大多在1.3~1.4之间,其最可几概率位于1.35处,从均值来看,草地上方1.8m的分形维数最大,水面上方0.48m次之,草地上方23m处最小。最后,初步探讨了近地层大气光学湍流分形维数、间歇性指数和湍流发展程度的相关性。