大氣湍流下空間光通信的性能及補(bǔ)償方法研究.pdf

1、自由空間光通信具有頻帶寬、成本低、部署快速、無需頻譜許可等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用潛力巨大,近年來許多國(guó)家投入巨資進(jìn)行研究開發(fā)。但由于光束在大氣中傳輸時(shí),易受到大氣湍流的影響,導(dǎo)致傳輸光束的波前隨機(jī)起伏,造成光斑漂移、光強(qiáng)起伏(閃爍)等,使傳輸?shù)墓馐|(zhì)量嚴(yán)重下降,造成自由空間光通信系統(tǒng)誤碼率增加、信道容量減小、甚至通信中斷,嚴(yán)重影響通信鏈路的穩(wěn)定性和可靠性。
　　本文針對(duì)上述問題著重研究了大氣湍流對(duì)自由空間光通信系統(tǒng)的影響,分析了大氣湍流信道下

2、自由空間光通信系統(tǒng)的性能,采用新穎的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)減小大氣湍流效應(yīng)對(duì)自由空間光通信的影響,主要研究工作如下:
　　首先,研究了大氣衰減效應(yīng)和大氣湍流效應(yīng)對(duì)光束傳輸?shù)挠绊?著重研究了大氣湍流的機(jī)理及大氣折射率起伏模型,依據(jù)高斯光束在大氣湍流中傳播的基本理論,基于修正的Rytov方法,給出了內(nèi)尺度和外尺度效應(yīng)時(shí)的閃爍指數(shù),并給出了光強(qiáng)起伏概率分布模型。
　　其次,為了分析大氣湍流對(duì)自由空間光通信系統(tǒng)性能的影響,提出了一種Meij

3、erG函數(shù)表示的新穎閉合表達(dá)式。首先假設(shè)自由空間光通信系統(tǒng)采用開關(guān)鍵控(OOK)強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(IM/DD),大氣湍流信道為gamma-gamma分布的,是具有加性高斯白噪聲(AWGN)的、獨(dú)立同分布的、無記憶平穩(wěn)遍歷的,且信道狀態(tài)信息在發(fā)射端和接收端都可以利用的前提下,推導(dǎo)得出了大氣湍流信道下自由空間光通信系統(tǒng)用MeijerG函數(shù)表示的誤碼率、中斷概率、平均容量(遍歷容量)的閉合表達(dá)式。建立了大氣湍流下空間光到單模光纖耦合效率表達(dá)式

4、。仿真分析了湍流效應(yīng)對(duì)自由空間光通信系統(tǒng)性能的影響。
　　為了減小大氣湍流效應(yīng)的影響,采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)對(duì)自由空間光通信系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)自適應(yīng)光學(xué)原理及大氣湍流理論,得出了基于自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償?shù)淖杂煽臻g光通信系統(tǒng)的誤碼率和耦合效率表達(dá)式,同時(shí)還得出了耦合效率與斯特列爾比的關(guān)系,通過仿真分析了自適應(yīng)光學(xué)對(duì)自由空間光通信系統(tǒng)的補(bǔ)償效果。
　　常規(guī)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)對(duì)自由空間光通信具有較好的補(bǔ)償效果,但有一定的局限性:一是補(bǔ)償所需的相

5、位調(diào)制量不能夠直接測(cè)量,需波前傳感器檢測(cè)畸變信息再進(jìn)行波前重構(gòu),計(jì)算量大,嚴(yán)重影響了相位補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性。二是在強(qiáng)湍流條件下,相位畸變引起光強(qiáng)起伏,致使難以測(cè)量重構(gòu)畸變波前。三是波前傳感器一般體積龐大,價(jià)格昂貴,系統(tǒng)復(fù)雜。為此,提出了一種采用盲優(yōu)化自適應(yīng)光學(xué)來補(bǔ)償自由空間光通信系統(tǒng)。盲優(yōu)化自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)無需波前傳感器檢測(cè)波前畸變信息重構(gòu)波前相位,而根據(jù)光電探測(cè)器信號(hào),利用優(yōu)化控制算法,對(duì)系統(tǒng)所要控制的性能指標(biāo)直接優(yōu)化,達(dá)到減小湍流效應(yīng)的目的