大气信道下窄线宽激光器对相干通信系统性能影响研究

在空间下行相干激光通信系统中,激光器的线宽大小会影响通信系统的性能,而窄线宽激光器能有效降低激光器线宽引起的激光器相位噪声,目前已经成为相干激光通信系统的首选。光信号在大气信道传输时,大气湍流会引起光信号强度和相位的波动,从而进一步影响系统的通信性能。针对上述问题,基于四相移键控(Quadri Phase Shift Keying, QPSK)通信系统的工作原理,进一步考虑窄线宽激光器线宽和大气湍流引起的光信号强度和相位的波动,给出了空间下行QPSK通信系统误码率模型。并基于该模型,数值仿真分析了窄线宽激光器对空间下行相干激光通信系统性能的影响。结果表明：大气湍流不仅严重影响系统性能,也会弱化激光器线宽对系统性能的影响。而对于大气湍流影响而言,其引起的相位波动要大于光强波动的影响。此外,随着通信速率增大,激光器线宽对于系统性能影响也会随之降低。文中对于空间下行相干激光通信系统的优化设计和调试具有一定的实际参考意义。     

贝塞尔光束在生物组织中的自重建特性研究

贝塞尔光束在生物组织中的传输易受到样品散射的影响,从而削弱其自重建能力。本文将生物组织建模为折射率弱波动的湍流模型,在弱散射近似下,结合角谱理论及逐步传输算法对贝塞尔光束在生物组织中的传输及自重建过程进行了理论模拟。利用空间光调制器加载涡旋光束相位和轴棱锥相位的叠加相位全息图来调制高斯光束,以产生可调控的贝塞尔光束。结果表明：贝塞尔光束经过生物组织的相位扰动后,重建光束的无衍射距离大大缩短,光强远低于原光束,且生物组织越厚,重建光束的光强越低;轴棱锥的锥角决定了重建贝塞尔光束的中心亮斑或最内环形旁瓣的尺寸,但对重建贝塞尔光束无衍射距离的影响不大;同时,低阶贝塞尔光束展现出了更好的自重建能力。     

基于信号检测的光无线轨道角动量复用系统研究

基于轨道角动量(OAM)的光无线复用通信技术在理想传输条件下能够大幅度提升通信系统性能,然而现实中大气湍流、孔径失配等因素会造成OAM模态间串扰导致误码率(BER)上升.为了降低光无线OAM复用系统在复杂环境中的误码率,该文首先建立了大气湍流、孔径失配场景下基于垂直分层空时码准则(VBLAST)的OAM复用通信系统(VBLAST-OAM),之后分析对比基于排序干扰连续消除检测算法(OSIC)、基于马尔科夫随机场置信度传播算法(MRF-BP)、基于OAM串扰特性的排序干扰连续消除算法(OAM-OSIC)应用于上述系统时的性能.结果表明:所提信号检测算法均能有效降低OAM复用系统在复杂环境中的误码率,其中,基于MRF-BP算法的系统性能最好;OAM-OSIC虽然属于次优算法,但在算法的运行开销方面具有较大优势.     

大气闪烁对自适应光学校正的影响

 激光在大气湍流中长距离近水平传输时，闪烁加强，限制了常规自适应光学的校正能力。数值研究了大气闪烁对自适应光学校正的影响，拟合得到了在Fresnel数一定时，Strehl比与Rytov方差的表达式，以及Rytov方差一定时，Strehl比与Fresnel数的表达式。结果表明，在Rytov方差较小时，纯相位校正Ｓtrehl比只与Rytov方差有关；随着Rytov方差的增加，Strehl比不仅与Rytov方差有关，还与Fresnel数有关，Fresnel数越大，校正Strehl比越大；大发射和接收孔径有利于提高校正Strehl比；在一定的Rytov方差下，Stregl比随Fresnel数增大而增加，逐步趋于饱和，达到纯相位校正的极限。     

利用毫秒脉冲星测量太阳风的电子密度和磁场

阐述电子密度十分多变，采用毫秒脉冲星作为线偏振辐射源，由于其周期短，因此可以同时测量电子密度和法拉第旋转量，从而计算出太阳的磁场，提高磁场计算的准确性。     

非均匀偏振光束在海洋湍流中的光强特性

为了研究非均匀偏振光束在海洋湍流中的光强特性，采用广义的惠更斯-菲涅耳原理，得到非均匀偏振光束经过海洋湍流传输后的光强分布, 并对非均匀偏振光束在海水中传播的传输特性进行了研究。结果表明，非均匀偏振光束的参量n和K越大，其光强分布偏离高斯分布越明显，但随着传输距离的增大，海洋湍流对光束的影响也增大，光强分布又回到高斯分布；随着均方温度耗散率χ_T或温度与盐度波动的相对强度w的增大，或者单位质量液体中的湍流动能的耗散率ε的减小，非均匀偏振光束的光强分布就会更趋于高斯分布。该研究结果在海洋光通信以及成像方面存在潜在的应用价值。     

高灵敏度Si基纤毛式MEMS湍流传感器

为了满足湍流探测高灵敏度、高分辨率的要求,提出了一种新型纤毛微电子机械系统(MEMS)湍流传感器。基于MEMS技术制作了硅十字梁敏感受力结构,通过橡胶探头的受力振动传递水中的湍流信号,凭借传感器头部的导流罩来保证传感器的高分辨率探测。对MEMS湍流传感器进行理论和仿真分析,其一阶共振频率达到481.04 Hz。经过海洋环境模拟机测试实验,结果显示其在50 MPa压力下保持了完好的结构和良好的性能,验证了其水下的可靠性。在湍流实验平台进行测试,通过比较标定法得出其灵敏度为1.92×10^-4 V·m·s^2/kg,满足海洋湍流测试要求。     

Gamma-Gamma信道下OOK与DPSK调制误码性能分析

从理论和实验两方面对自由空间光通信中常用的两种调制方式进行性能比较分析,旨在找出一种最适合的调制方法抑制大气湍流。在分析Gamma-Gamma信道下OOK(开关键控)和DPSK(差分相移键控)调制的误码率时,将广义超几何方法引入分析。利用Matlab软件搭建系统,通过实验可知,采取相干及平衡探测的DPSK调制时性能要比基于OOK调制的直接探测高出3.21dB;通过对双管平衡探测和单管探测进行实验,结果表明,双管平衡探测的信噪比优于单管探测,约提高21.6dB。因此,基于DPSK平衡探测的相干通信方案具有可行性和优越性。     

长距离光传播路径中大气相干长度的测量研究

基于大口径闪烁法和差分到达角起伏法开展了间距为3.95 km近水平路径的大气相干长度测量实验。测量结果表明:在同路径的上下行光传播方向上,闪烁法测量相干长度的相关系数为0.94,而到达角起伏法测量相干长度的相关系数为0.79。路径权重的理论分析揭示了闪烁法对路径中部的湍涡敏感,且路径权重函数关于路径中部呈对称分布;到达角起伏法对接收端附近的湍涡敏感,其路径权重函数从发射端到接收端呈单调递增趋势。因此,实际的长距离光传输实验中,在不能确定路径中湍流强度分布的情况下,采用闪烁法测量路径上的湍流效应更适宜。     

高超声速边界层中由粗糙元引起强制转捩的机理

由大粗糙元引起的高超声速边界层强制转捩在航天技术中有实际应用, 因而近年来受到人们的广泛关注.虽然目前导致该转捩过程的内在机理尚不完全清楚, 但有一点是明确的, 即粗糙元的尾迹流场中存在强对流不稳定性.文章的出发点是研究这种对流不稳定模态是如何触发转捩的.首先通过CFD方法, 计算出高超声速边界层中粗糙元的尾迹流场, 并对其进行二维稳定性分析.结果发现, 在传统不稳定Tollmien-Schlichting(T-S)模态出现的临界Reynolds数之前, 存在高增长率的无黏不稳定模态, 表现为对称的余弦模态和反对称的正弦模态.然后对该不稳定模态在粗糙元尾迹流中的演化进行了模拟, 验证了二维稳定性分析的结果, 并考察了非平行性效应的影响.最后通过直接数值模拟, 研究由这些不稳定模态触发转捩的全过程.结果表明, 对流不稳定模态确实是导致边界层转捩的关键机制.该转捩过程的特点是, 局部湍斑首先在不稳定模态特征函数的峰值附近出现, 然后向全流场扩散.就文章研究的工况而言, 余弦和正弦模态的相互作用对转捩的影响并不明显, 且后者在转捩过程中起主导作用.