星地激光通信中非柯爾莫哥洛夫湍流影響研究.pdf

1、衛(wèi)星激光通信技術是衛(wèi)星通信領域的高新技術，與傳統(tǒng)的衛(wèi)星微波通信相比，具有傳輸數據率高、通信容量大、抗干擾性能強、信息安全性高、設備體積小、重量輕、功耗低、不需要無線電頻率使用許可等諸多優(yōu)點。自二十世紀六十年代以來，美國、歐洲各國以及日本等發(fā)達國家甚至包括一些發(fā)展中國家都先后投入了大量的人力和物力進行衛(wèi)星激光通信技術的研究和開發(fā)。經過半個多世紀的努力，衛(wèi)星激光通信技術的研究已經進入到了空間實驗階段，并已成功地進行了多次星地和星間激光通信實

2、驗，正在向商業(yè)化和應用化方向發(fā)展。
　　在衛(wèi)星激光通信的諸多鏈路中，星地鏈路作為其主干鏈路尤其受到關注并得到廣泛研究。對于星地激光通信而言，由于地球大氣層是其通信信道的一部分，因此大氣湍流會對激光通信鏈路的建立和保持及其性能產生影響。進行大氣湍流對星地激光通信影響的研究，對衛(wèi)星激光通信的系統(tǒng)設計、在軌試驗以及實際應用都具有重要的指導意義。
　　迄今為止，大氣湍流對星地激光通信影響的研究主要考慮的是柯爾莫哥洛夫（Kolmogo

3、rov）湍流，因為這一模型不僅簡單，而且在邊界層有大量的實驗支持。然而，大氣湍流的實測卻表明對流層的大氣湍流是Kolmogorov湍流，平流層（包括對流頂層）的大氣湍流卻是另外一種湍流存在，即非柯爾莫哥洛夫（Non-Kolmogorov）湍流；同時理論研究的結果也表明Kolmogorov湍流不是大氣中唯一可能的湍流模型，Non-Kolmogorov湍流在大氣中是存在的。因此，對于星地鏈路而言，將整個鏈路的大氣湍流都作Kolmogorov

4、湍流處理顯然已經不符合星地鏈路大氣湍流的實際情況。那么，根據星地鏈路大氣湍流的實際情況研究大氣湍流效應，進而研究大氣湍流對星地激光通信的影響就成為了一個需要解決的科學問題。
　　本論文基于大氣湍流效應和大氣湍流對星地激光通信影響的研究現狀，主要進行了以下兩個方面的研究工作：
　　1. Non-Kolmogorov大氣湍流效應研究基于Non-Kolmogorov湍流折射率起伏功率譜密度，對Non-Kolmogorov大氣湍流效

5、應進行了理論研究，主要包括以下幾方面的內容：
　　1）建立了Non-Kolmogorov大氣湍流光束漂移方差的理論模型，利用幾何光學近似方法，給出了弱起伏條件下準直光束和聚焦光束光束漂移方差的解析表達式。
　　2）建立了弱起伏條件下 Non-Kolmogorov大氣湍流到達角起伏的理論模型，包括三方面的內容：
　?。?）研究了Non-Kolmogorov大氣湍流的到達角起伏，利用譜分析法，給出了弱起伏條件下平面波和球面

6、波到達角起伏方差的解析表達式；
　?。?）研究了Non-Kolmogorov大氣湍流到達角起伏的外尺度效應，利用譜分析法，給出了弱起伏條件下平面波和球面波包含內外尺度的到達角起伏方差的解析表達式，這些表達式具有更大的適用范圍；
　?。?）研究了Non-Kolmogorov大氣湍流到達角起伏的時間變化特征，給出了弱起伏條件下平面波和球面波到達角起伏時間頻率譜的解析表達式。
　　3）建立了弱起伏條件下 Non-Kolmog

7、orov大氣湍流振幅（光強）起伏的理論模型，包括兩個方面的內容：
　　（1）研究了Non-Kolmogorov大氣湍流高斯光束的振幅起伏，給出了弱起伏條件下高斯光束對數振幅方差的解析表達式；并在此解析表達式基礎上，針對不同的光束類型，給出了準直光束、聚焦光束和會聚光束對數振幅方差的解析表達式。
　?。?）研究了Non-Kolmogorov大氣湍流光強起伏的時間變化特征，給出了弱起伏條件下平面波和球面波光強起伏時間頻率譜的解析

8、表達式。
　　2.Non-Kolmogorov大氣湍流對星地激光通信影響研究建立了星地激光通信的聯合大氣湍流光波傳輸理論模型，利用一個星地鏈路聯合大氣湍流模型，研究了對流層Kolmogorov湍流和平流層Non-Kolmogorov湍流對衛(wèi)星激光通信的聯合影響，對上行鏈路和下行鏈路的長期光束擴展、閃爍指數以及誤碼率等進行了分析。
　　本論文的研究工作是關于大氣湍流效應及其對星地激光通信影響的應用基礎研究?；谛堑劓溌反髿馔牧?/p>