激光大气传输湍流扰动仿真技术

为了研究激光大气传输时湍流效应对激光应用技术的影响,对湍流扰动的仿真进行了分析。介绍了在实验室内进行激光大气传输湍流扰动研究的数值仿真技术和仿真系统。阐述了快速傅里叶变换（FFT）和Zernike多项式两种湍流扰动数值仿真方法,并且对比了两种方法的优劣。利用物理相位屏搭建了实物湍流仿真系统,介绍了其理论模型并进行了仿真实验,对激光经湍流系统传输后的光强能量分布进行了研究分析。结果显示,室内湍流仿真系统能够准确地模拟弱起伏条件下湍流对激光传输的影响。     

湍流大气传输高斯谢尔光束的到达角起伏

研究了在弱大气湍流起伏环境下以窄带宽高斯谢尔光束为激光光源的大气通信问题,分析了大气湍流强度和光源空间相干度对通信光束到达角起伏的影响.采用窄带宽光场的交叉谱密度函数代替光场互相干函数的近似方法和采用包含大气湍流内外尺度的简化折射率谱密度函数,得出了湍流大气中传输高斯谢尔光束的波结构函数(WSF) 和到达角起伏方差解析近似关系.分析表明,光源的空间相干度和传输光束的湍流扩展是影响高斯谢尔光束的相位起伏结构函数和传输光束到达角起伏的重要因素.     

大气湍流和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展

介绍了大气湍流效应和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展。主要介绍了合成激光在大气中传输的解析和数值模拟研究方法,大气湍流效应对列阵合成光束的光强分布、远场发散角、方向性、曲率半径和湍流距离的影响,以及大气热晕效应对列阵合成光束的光强分布、传输效率、重心偏移、热晕时间尺度和焦移的影响。研究结果表明,大气湍流效应和热晕效应对合成激光光束质量的影响与光束合成方式、合成光束参数以及大气参数密切相关。     

高功率激光在非均匀大气中传输的自聚焦效应研究进展

地基激光空间碎片清除和利用激光辐射把转换的太阳能从空间轨道输运到地面等应用中,不可避免地遇到高功率激光在非均匀大气中的传输问题。由于激光功率已远远超过大气非线性自聚焦临界功率,大气自聚焦效应是影响光束质量的一个重要物理因素。概述了近年来国内外高功率激光在非均匀大气中上行或下行传输的自聚焦效应研究进展,主要介绍了高功率激光在非均匀大气中的传输模型、理论基础、数值和解析研究方法,着重介绍了自聚焦效应对激光传输特性和光束质量的影响,并总结了优化靶面光束质量的方案。此外,还介绍了大气群速度色散效应和大气湍流效应等物理因素对激光光束质量的影响。最后,还提出了该领域值得进一步深入研究的一些问题。

     

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。     

大气激光通信中多光束传输性能分析和信道建模

多光束传输技术是克服大气激光通信中大气湍流效应的有效途径之一。首先从理论上分析了大气湍流对多光束大气激光通信系统性能的影响和多光束大气传输的光强起伏特性,然后利用统计分析的方法,建立了一个以传输距离z、光束数目n、发射孔径之间的距离St、接收孔径Dr等为参量的多光束大气传输信道模型。最后,结合相关文献提供的实验结果对该信道模型进行了实验验证和误码性能分析。结果表明,当S1≥√λz或Dr远大于大气湍流相干长度ρo时,随着n的增大,接收光强将趋于对数正态分布．降低了大气激光通信系统的误码率,从而验证了多光束传输对于克服大气湍流影响的有效性。     

机载激光通信链路中光场二阶特性的分析计算

为了评估大气湍流对机载激光通信系统的影响,理论分析和数值计算了机载激光通信链路中传输光场的二阶特性,包括接收光斑尺寸、光斑偏移量、光束相干半径、光束到达角起伏。计算结果表明:大气湍流对空间激光通信系统的影响主要在低空对流层,并随着机载平台高度的增加而降低。由于受到低空大折射率结构常数的影响,上行链路的接收光斑尺寸、光斑漂移量比下行链路大。下行链路光束到达角抖动比上行链路大,其值为若干rad。提出的模型及计算结果,可以为机载激光通信系统设计及性能评估提供参考。     

湍流效应对光通信链路的影响研究与仿真

通过对大气湍流效应的分析,研究了激光在大气中传输时受大气随机信道的影响,通过软件实时显示光斑的闪烁、漂移,为进一步优化激光通信系统性能设计,最终实现全天候的大气激光通信做了有意义的探索。     

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。     

聚焦光束大气传输光束扩展定标规律的数值分析

选取多种典型激光传输条件下的计算参量，对平台光束聚焦大气传输湍流热晕相互作用引起的光束扩展进行了数值分析.热畸变的产生是在快速变化的湍流扩束作用之后，在此假定的基础上，建立了描述聚焦光束大气传输光束扩展与大气传输特征物理参量的定标关系.在了解激光发射系统的特征参量和大气传输效应的特征参量之后，即可由定标关系迅速判断激光大气传输的效果，从而为激光工程系统的参量优化设计及其应用效能评估提供依据. 关键词： 湍流效应 热晕效应 光束扩展 定标规律     

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...     

Capacity of wander and spread beams in log-normal distribution non-Kolmogorov turbulence optical links

We model the average channel capacity of optical wireless communication systems in weak turbulence horizontal channels, using the log-normal distribution models. The effects of beam wander and spread, pointing errors, turbulence inner scale, turbulence outer scale and the spectral index of non-Kolmogorov turbulence on system's performance are included. The model can evaluate the influence of the atmospheric turbulence conditions in the performance of a ground-to-train optical wireless communication system.     

Free Space Measurement Device Independent Quantum Key Distribution with Modulating Retro-Reflectors under Correlated Turbulent Channel

Modulating retro-reflector (MRR), originally introduced to support laser communication, relieves most of the weight, power, and pointing requirements to the ground station. In this paper, a plug-and-play measurement device independent quantum key distribution (MDI-QKD) scheme with MRR is proposed not only to eliminate detector side channels and allow an untrusted satellite relay between two users, but also to simplify the requirements set-ups in practical flexible moving scenarios. The plug-and-play architecture compensates for the polarization drift during the transmission to provide superior performance in implementing the MDI-QKD on a free-space channel, and the MRR device is adopted to relax the requirements on both communication terminals. A double-pass correlated turbulent channel model is presented to investigate the complex and unstable channel characteristics caused by the atmospheric turbulence. Furthermore, the security of the modified MDI-QKD scheme is analyzed under some classical attacks and the simulation results indicate the feasibility under the situation that the system performance deteriorates with the increase of fading correlation coefficient and the turbulence intensity, which provides a meaningful step towards an MDI-QKD based on the moving platforms to join a dynamic quantum network with untrusted relays.     

Some limitations on optical communication reliability through Kolmogorov and non-Kolmogorov turbulence

In free-space optical communication links, atmospheric turbulence causes fluctuations in both the intensity and the phase of the received signal, affecting link performance.Influence of Kolmogorov and non-Kolmogorov turbulence statistics on laser communication links are analyzed for different propagation scenarios, and effects of different turbulence spectrum models on optical communication links are presented. Statistical estimates of the communication parameters such as the probability of fade (miss) exceeding a threshold dB level, the mean number of fades, and BER are derived and examples provided. The presented quantitative data suggest that the non-Kolmogorov turbulence effects on lasercom channels are more severe in many situations and need to be taken into account in wireless optical communication. Non-Kolmogorov turbulence is especially important for elevations above the boundary layer as well as for even low elevation paths over water.     

自由空间宽谱部分相干光通信系统

大气湍流对自由空间光通信系统所造成的影响是不可忽略的，为了减弱湍流对空间光通信系统带来的影响，实验搭建了一套通信距离为900 m的真实大气信道宽谱部分相干光通信系统。系统采用皮秒脉冲泵浦高非线性光纤产生超连续谱并滤波得到部分相干宽谱脉冲，对其调制后完成通信。在测试过程中，实验专门设置了一条参考链路，保证了测试环境的一致性。实验结果表明，在中等湍流条件下，系统光强闪烁指数为0.035 8，相比窄线宽通信系统提升了23%，最低探测灵敏度达到了-23.35 dBm，相比窄线宽通信系统提升了42%。与窄线宽激光通信系统相比，宽谱部分相干光通信系统可以明显降低湍流引起的光功率抖动，并提升自由空间光通信系统通信性能。     

雾对大气激光通信系统的影响及克服方法

分析了雾产生的原因、相关数学模型及其对大气激光通信系统的影响.为了克服雾对无线光通信链路的影响,将LDPC码作为信道编码应用到大气激光通信系统中,并结合置信传播迭代译码算法和副载波PSK强度调制方案,在有雾的大气信道中进行了仿真.仿真结果表明:LDPC码具有优越的纠错能力,并获得了较大的编码增益,该方案可以满足大气激光通信系统的需要.     

基于空间光调制器的MIMO大气传输特性研究

大气湍流对无线光通信系统的影响不可忽视,为了更准确地反映实验室模拟多输入、多输出(MIMO)大气湍流信道的实际特征,提出了一种利用相位屏来模拟MIMO大气湍流信道的方法,并针对基于液晶空间光调制器（LC-SLM）的液晶调制法展开研究,通过实验验证该方法的可行性。实验结果表明：通过相位屏模拟MIMO大气湍流信道的激光光斑发生不同程度的畸变,湍流环境下两路激光发射系统比单路发射激光系统功率稳定性好,在前向纠错误差极限（3.8×10-3）下,单个发射单个接收系统的链路代价为10.5 dB,2个发射2个接收的MIMO系统的链路代价为9.3 dB。该项研究对于实验室模拟MIMO大气湍流信道实验方法提供一种新思路。     

大气信道对红外激光通信系统性能影响的实验研究

针对近地面、准水平红外激光大气通信系统的应用,利用微脉冲激光雷达、大口径激光闪烁仪在济南市区进行了为期一周的昼夜连续观测,获得了影响红外激光通信系统性能的关键大气参量的信息.着重分析了大气衰减信道、大气湍流信道对一公里通信链路系统性能的影响,考查了通信设备在复杂大气条件下应用的可行性及可靠性.最后就减弱大气信道对通信性能影响的方法进行了总结和探讨.