新型部分相干光束及其在湍流大氣中的傳輸特性研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)據(jù)信息量日益增加,數(shù)據(jù)傳輸需求帶寬也不斷增加。自由空間光通信能提供高帶寬遠(yuǎn)距離的無線通信鏈路,在最后一公里接入和星地通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而由于大氣湍流引起的光強(qiáng)閃爍、相位波動(dòng)、光束擴(kuò)展和光束漂移等效應(yīng)嚴(yán)重降低自由空間光通信鏈路性能。
　　本論文針對長距離、高傳輸速率的空間光通信,從光源的相干性和大氣湍流相干尺度出發(fā),研究克服大氣強(qiáng)湍流復(fù)雜效應(yīng)的新理論和新方法。針對大氣湍流引起的光強(qiáng)閃爍和波幅畸

2、變,提出并研究基于部分相干艾里激光束的自適應(yīng)發(fā)射光學(xué)大氣湍流抑制技術(shù);針對大氣強(qiáng)湍流的非線性和非均勻效應(yīng),提出并研究基于部分相干光束陣列的MIMO空間分集大氣湍流補(bǔ)償技術(shù)。探索湍流大氣和部分相干多光場相互作用的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,分析新型部分相干光束在大氣隨機(jī)介質(zhì)中的傳輸特性和通信系統(tǒng)性能影響規(guī)律。概括全文的研究成果和貢獻(xiàn),有如下幾個(gè)方面:
　　(1)采用非Kolmogorov折射率譜和基于空間濾波函數(shù)的擴(kuò)展Rytov近似法,考慮了傳輸光波

3、的空間相干性衰減,建立了高斯光束在非Kolmogorov強(qiáng)大氣湍流傳輸?shù)拈W爍指數(shù)模型。系統(tǒng)分析了功率譜冪指數(shù)、折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、傳輸距離、相位曲率半徑、光束寬度和波長對強(qiáng)大氣湍流中高斯光束閃爍系數(shù)的影響規(guī)律。采用PAMELA折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)模型和Gamma-Gamma光強(qiáng)起伏概率密度分布,分析了高斯光束在非Kolmogorov強(qiáng)湍流傳輸時(shí)風(fēng)速對自由空間光通信的閃爍指數(shù)、平均信噪比和平均誤碼率性能影響。該理論模型可預(yù)測評估

4、惡劣天氣條件下遠(yuǎn)距離自由空間光通信系統(tǒng)性能。
　　(2)實(shí)驗(yàn)研究高斯光束在大氣湍流介質(zhì)中的傳輸特性。設(shè)計(jì)大氣湍流發(fā)生器,構(gòu)建大氣湍流模擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺,評估湍流介質(zhì)折射率結(jié)構(gòu)常數(shù),實(shí)驗(yàn)測量高斯光束在大氣湍流傳輸?shù)膹?qiáng)度起伏和頻譜起伏特性,為探索有效抑制大氣湍流效應(yīng)的技術(shù)提供實(shí)驗(yàn)平臺。
　　(3)理論研究部分相干艾里激光束的大氣湍流傳輸特性,建立部分相干艾里光及其在湍流大氣傳輸?shù)臄?shù)理統(tǒng)計(jì)模型,理論分析部分相干艾里激光束經(jīng)湍流大氣作

5、用后的光強(qiáng)統(tǒng)計(jì)分布和演化特性。
　　(4)實(shí)驗(yàn)研究部分相干艾里激光束的合成產(chǎn)生及其傳輸特性。利用空間光調(diào)制器設(shè)計(jì)合成新型部分相干艾里激光的發(fā)射光束處理系統(tǒng),研究部分相干艾里光束在自由空間、湍流介質(zhì)和散射介質(zhì)中傳輸特性,優(yōu)化調(diào)整能抑制大氣湍流波幅畸變和閃爍效應(yīng)的合成光束參數(shù)。
　　(5)設(shè)計(jì)了一種基于魚眼透鏡的寬視場光學(xué)天線。寬視場光學(xué)天線由魚眼透鏡組、補(bǔ)償透鏡和離軸非球面折反射式望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成,同時(shí)引入了由初級對準(zhǔn)反射鏡和次級跟

6、蹤反射鏡構(gòu)成的兩級跟蹤機(jī)構(gòu)。評估了寬視場光學(xué)天線在不同視場角條件下的光學(xué)性能。寬視場光學(xué)天線能夠?yàn)樽杂煽臻g光通信系統(tǒng)提供60度的視場角擴(kuò)大跟蹤范圍,同時(shí)又能校正光學(xué)像差提高跟蹤精度。
　　(6)研究基于大視場光學(xué)天線的MIMO空間光通信技術(shù)。對于高斯光束在非Kolmogorov強(qiáng)湍流傳輸,分析了在不同發(fā)射/接收孔徑數(shù)目下MIMO空間光通信誤碼率特性。通過優(yōu)化空間相干長度和接收孔徑空間間距,可以明顯提高M(jìn)IMO空間光通信系統(tǒng)在強(qiáng)大氣