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。     

湍流信道下无线光副载波盲均衡算法研究EI北大核心CSCD

建立了针对大气湍流时变信道的盲均衡系统模型.基于无线光副载波四相相移键控调制,在不同光强起伏方差下分析了两种自适应盲均衡算法的收敛性、稳定性和均方误差,对比了均衡前后星座图改善效果.结果表明:随着湍流强度的增加,变步长恒模算法较固定步长恒模算法收敛快、均方误差小,但其稳定性差,且比例因子逐渐减小算法才能收敛.探测器接收的信号经过两种盲均衡器后星座图聚敛性均得到有效改善.在相同信噪比下湍流信道与高斯信道相比,湍流信道算法迭代步长因子和比例因子取值较小才可收敛,均方误差大.两种盲均衡算法可有效改善湍流信道下星座图聚敛性,对提高无线光接收端星座图检测率具有一定的意义.     

各向异性海洋湍流DHPIM无线光通信性能分析

水下无线光通信系统易受由折射率波动起伏引起的海洋湍流的影响,造成光强闪烁、光束漂移、光束扩展和波前畸变等效应,从而使光信号产生衰落,导致通信质量降低及通信性能恶化.利用扩展的惠更斯-菲涅耳原理和渐近Rytov理论分别导出有限尺寸探测器的平均接收光功率和辐照度通量方差,研究了Gamma-Gamma湍流信道模型下双头脉冲间...     

非科尔莫戈罗夫湍流情况下光学波前的到达角起伏方差分析

引入非科尔莫戈罗夫 (Kolmogorov)湍流情况下的归一化相位空间功率谱 ,针对 G倾斜和Z倾斜两种情形 ,分别推导了非科尔莫戈罗夫湍流情况下光学波前的到达角起伏方差与相位空间功率谱指数下降因子β和归一化大气湍流相干长度ρ0 之间的关系。结果表明 ,对于 2 <β <4 ,非科尔莫戈罗夫湍流情况下光学波前的到达角起伏方差随着β的增加而增大 ,β相同时 ,G倾斜方差总是小于 Z倾斜方差。     

高效纠错编码技术在无线光通信中的性能分析

在介绍无线光通信信道及系统模型的基础上,推导了无线光通信未编码系统和RS编码系统在已知信道边信息条件下的平均误码率,从接收光功率和对数振幅起伏方差方面对RS码编码系统和Turbo编码系统的性能进行比较.仿真结果表明,采用编码方案可以有效地改善大气湍流对通信链路性能的恶化,Turbo码编码方案比RS码编码方案能更好地抗大气湍流干扰.     

水平均匀大气中多束光在接收面上的相关性及其对光强起伏的影响

在科尔莫戈罗夫理论的基础上，推广了光束在接收面上相关函数的物理含义。分析了多光束在接收面上的相关性。并在此基础上形成多光束光强起伏方差的解析表达式。分析结果表明，随着信道间距的增加，信道相关性下降。到达接收面的光强起伏方差降低；当信道完全重合，即相关系数变为1时，叠加后的光强起伏方差没有明显降低。与单光束时没有区别；在允许范围内增加光束数目可降低光强起伏。     

湍流大气中激光传输光强起伏特征研究

通过实验观测了湍流大气中光束准直传输时光束横截面上不同面积内的光强起伏特征。采用相对光强起伏方差与孔径平滑因子描述不同面积内的光强起伏特征并比较了不同湍流条件和不同面积内相对光强起伏方差的概率分布密度。实验结果表明,在该实验条件下明显出现孔径平滑效应时对应接收面积呈现湍流越强接收面积越小的规律;不同接收面积内相对光强起伏方差概率分布密度可以用对数高斯分布近似,不同接收面积和湍流强度下近似程度不同;采用偏斜度和陡峭度来描述接收面积不同和湍流强度不同时概率分布密度与对数高斯分布的偏差并比较了拟合曲线特征的变化。同时初步比较了连续光与脉冲光相对光强起伏方差概率分布的异同。     

根据到达角协方差测量大气湍流外尺度

通过湍流大气中光波相位结构函数得到两点间的到达角协方差与大气湍流外尺度的关系,并利用差分到达角方差进行了归一化,进而得到大气湍流外尺度和差分到达角方差及到达角协方差的表达式。采用四孔到达角起伏测量仪进行了近地面水平路径的实验,测量结果表明在离地面6 m的高度上,湍流外尺度在4 m左右,并随时间变化,不同方向的测量结果有一些差别。     

星地激光通信中接收光信号的仿真方法

星地激光通信中, 由于大气湍流等影响, 接收光信号将出现包络起伏现象, 严重时将引起接收系统突发误码。为研究其中突发误码的发生规律及其对通信有效性的影响, 对接收光信号包络起伏的仿真方法进行了研究。针对常规的仿真方法在计算量、资源消耗、仿真时间长度等方面存在的诸多弱点, 提出了一种使用Gauss随机过程的幂级数拟合接收光信号幅度的仿真方法, 该方法利用接收光信号均值、方差、偏态系数和峰度系数计算各阶系数, 最高取到3次方项, 并使用FFT/IFFT实现时间功率谱特征拟合。仿真结果证明了该仿真方法的合理性。     

应用哈特曼-夏克波前传感器测量大气湍流参数

对非科尔莫戈罗夫（Kolmogorov）湍流情况,在利用哈特曼－夏克（Hartmann-Shack)波前传感器的波前斜率测量原理并结合其时空结构及相关分析的基础上,提出了一种应用斜率结构－相关函数和斜率归一化相关系数测量大气湍流参数β（归一化相位空间功率谱指数下降因子）和ρ0（大气湍流强度）的新方法。利用这种方法对1km激光水平大气传输实验数据进行了分析。     

基于SOA全光偏振调制的双信道PolSK光传输系统

提出一个新颖的采用两个级联半导体光放大器(SOA)作为独立全光偏振调制器实现双信道偏振态位移键控(PolSK)光传输系统方案,并进行了实验验证.从发射机端输出的PolSK光信号具有四个偏振态,构成了两个独立的二进制数据信道.各信道数据可以采用不同的码制,码率以及不同的时钟信号.该系统方案,提高了通信系统的比特-符号比以及频谱利用率;又由于PolSK光信号功率恒定,减小了光纤链路中非线性效应对光信号的影响提高了通信系统长距离数据传输能力;在接收机端实现了光信号的直接偏振检测,简化了接收机的设计和成本;又由于采用了稳偏接收模块使接收系统能够实现稳定信号接收.构成了基于本方案的实验系统,进行了一系列基础实验和性能测试.分别进行了50 km,80 km以及100 km长距离光纤数据传输实验,实验结果表明所提出的系统方案是有效的.     

多高斯-榭尔光束通过强湍流对光强闪烁的影响

在Rytov方差的基础上,利用Andrews的唯像闪烁模型,推导出部分相干光通过强大气湍流后的对数光强起伏方差,并在此基础上进行了仿真.结果表明,当光源的相干性变差,即变为部分相干光后,对数光强起伏方差变小;当采用多束部分相干光通过大气湍流时,接收面上光强起伏方差得到明显改善,并且光束越多,改善越明显,但利用部分相干光通信时传输距离受限制.所以,光源的相干参数选择要适当.     

双孔差分闪烁法测量大气湍流的理论与实验研究

根据cross-path理论, 推导出弱起伏条件下差分孔径光强起伏结构函数的精确表达式, 以此为依据, 从理论上提出测量大气湍流强度的双孔差分闪烁法. 在Kolmogorov湍流谱条件下, 分析了信标光直径和信标光高度对该方法中路径权重函数的影响. 在近地面开展了2 km路径的水平光单程传输实验, 将双孔差分闪烁法和单孔闪烁法的测量结果进行了对比. 实验结果表明: 在不同的天气条件和大气湍流状况下, 两种方法测量的折射率结构常数具有高度的一致性; 通过对折射率结构常数积分得到的球面波大气相干长度进行相关性分析, 发现两者的线性相关系数达0.96; 由此验证了双孔差分闪烁法的可行性和有效性. 该方法能够分离出主动信标双程传输的后向闪烁信息, 为主动信标准确探测大气湍流提供了一种新方法.     

湍流大气中激光聚焦光束后向散射的数值模拟

 对基于聚焦光束后向散射到达角起伏的湍流测量进行了数值模拟。通过近轴标量波动方程和分形相屏算法,提出了聚焦光束二次传输的数值模型,分别就固定点信标光源和聚焦光束后向散射的到达角起伏方差的统计特征进行了分析,并取得了很好的相关性,得出了可以从聚焦光束的回波图像信号里提取大气湍流信息的结论。讨论了聚焦距离对固定点光源和回波光束的到达角起伏方差相似度的影响。     

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。     

基于高阶累计量的大气光通信自适应信号处理

针对强湍流信道下信号衰落的特点,分析了对数正态分布模型与K分布模型的适用范围.基于K分布模型建立大气光通信接收信号模型,并给出了自适应最优门限检测方法.采用四阶和六阶累计量对强湍流信道参量进行估计,采用二阶累计量对其它高斯噪音进行估计,得到K分布参量及高斯噪音统计量的预测值,实现自适应门限更新.基于Monte Calro算法进行仿真,给出了门限更新算法对通信系统误码率的影响,同时分析了信号采样率对估计参量偏差的影响.计算表明,在强湍流情况下,大气光通信系统的误码率性能得到极大的改善,优于基于MLSD检测的接收机.     

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。     

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.     

Shack-Hartmann波前传感器用于闪烁和相位起伏效应的同时测量

将每一个子孔径及相应的CCD面元作为一个光强探测系统,可以将Shack-Hartmann波前传感器用于湍流大气闪烁效应的测量.分析了该测量方法的基本原理,并结合其波前探测的功能.在近地面水平1km的湍流大气中,同时进行了闪烁和相位起伏的实验研究.将闪烁测量得到的Cn2与大口径闪烁仪测量的结果进行对比,发现两者的相关系数达0.838,验证了Shack-Hartmann波前传感器用于闪烁效应测量的可靠性.对闪烁和相位起伏效应得到的Cn2的日变化进行了对比.结果表明,两者在变化趋势上具有较好的一致性;采用双对数坐标对两种结果进行相关性分析,发现两者的相关系数达0.798.这表明将Shack-Hartmann波前传感器用于闪烁和相位起伏效应的同时测量是可行的,拓展了该传感器的使用功能.     

激光收发望远镜的几何布局对光束到达角起伏相关性的影响

大气湍流的倾斜扰动会导致光束在通过大气后到达角发生起伏。对于激光测距、激光导引星等应用场合,激光分别在发射和接收时两次通过了湍流大气。激光收发望远镜几何布局方式的不同会引起激光发射和接收光路中的倾斜相关性出现差异,最终影响接收望远镜探测到的激光到达角起伏。从激光收发望远镜布局的一般几何模型出发,利用Zernike多项式波前展开,给出了受大气湍流影响的分离孔径倾斜相关函数。分析了收发共光路与非共光路情况下,不同的几何限制导致的光束到达角起伏相关性变化。最后,讨论了不同的激光收发望远镜的几何布局对接收望远镜探测到的光束到达角起伏的影响。