强联合大气湍流下到达角起伏时间频率谱分析

考虑到折射率结构常数和传输距离对星地链路激光通信质量的影响,本文在修正Rytov 方法的基础上,根据星地链路的实际情况,建立了强联合大气湍流模型;并采用谱分析法,得出适用于强湍流区的到达角起伏时间频率谱表达式;最后,分析了对流层Kolmogorov湍流和平流层Non-Kolmogorov湍流对星地链路瞄准捕获跟踪的联合影响.结果表明:大气湍流对星地链路激光通信具有显著影响,且对流层的影响远小于平流层;适当增大接收孔径和频率,可以有效降低大气湍流对星地链路稳定性和可靠性的影响,从而提高星地链路的通信质量.     

可靠性故障分布模型的确定方法研究

在对现有的可靠性故障分布模型确定方法进行分析的基础上,提出首先应用柯尔莫哥洛夫检验方法对分布模型进行有效性验证,然后应用二级模糊综合评判方法对故障分布模型进行确认的新方法.通过工程实例分析,认为上述方法是可行且符合可靠性故障分布规律的.     

近海激光通信分集技术对大气湍流扰动抑制的实验

为评估分集收发技术在近海面激光通信系统应用中对大气湍流扰动的抑制作用,设计了基于对多路1 550 nm激光光斑同步采集的验证实验方案。采用由时统终端触发的FPGA+多核DSP架构的实时图像处理系统实现目标中心位置的提取与目标灰度和的统计,进而得到激光从发射端至接收端的到达角起伏方差和闪烁指数。分别比较了等功率条件下单路发射和双路发射间、双孔径接收与等效单孔径接收间的到达角起伏方差和闪烁指数,同时比较了不同跨距下双孔径接收的效果。实验表明,在发射功率相同的情况下,与单路发射相比,双路发射能够有效地抑制因大气湍流扰动产生的到达角起伏和光强闪烁;在接收面积相同情况下,双孔径接收较单孔径接收所产生的到达角起伏与光强闪烁更弱,且在一定范围内,双孔径间的跨距存在最优值。     

斜程大气传输光束孔径平滑到达角与像点起伏

像面到达角起伏、波面抖动和像点抖动通常是研究大气干扰情况下高分辨成像系统波前特性的重要方法之一。采用Rytov近似、包含湍流内外尺度影响的修正von Karmam近似谱和接收光学系统孔径滤波函数和传输权重函数中的Airy函数的高斯函数近似,研究了斜程湍流大气中传输束状波的波面抖动、像面到达角起伏和像点抖动规律,导出了圆孔接收系统测量到的包含湍流内外尺度影响的束状波孔径平滑波面抖动、像点抖动和像面到达角方差理论模型。     

由相位起伏分布推导到达角的几何方法研究

经过大气湍流的激光束,在整个接收面上会产生相位起伏,从而引起光束的到达角起伏。为了建立接收面某点处两者之间的数学关系,采用了一种几何方法,从相位起伏分布出发,构造了波前的空间几何形态,进而计算出到达角起伏分布。对该方法的可行性进行了理论分析和计算,取得了到达角起伏分方差计算值与理论值的比较结果。结果表明,用该方法计算所得的到达角起伏方差,与已知的到达角起伏统计特性符合较好。这一结果对研究经大气湍流的光束形态及统计特性是有帮助的。     

非柯尔莫哥诺夫湍流对部分相干双曲余弦高斯光束扩展的影响

基于非柯尔莫哥诺夫湍流模型,本文给出了部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流传输的二阶矩束宽和相对束宽解析式,并研究了湍流参数(广义指数α、内尺度l0、外尺度L0)和光束参数(离心参数δ、相干参数β)对光束扩展的影响。研究表明:束宽随α的增大而先增大后减小,且在α=3.11处存在光束扩展极大值;束宽随l0的增大而减小,随L0的增大而略微增大(仅当α3.7时)。另外,束宽随δ的增大及β的减小而增大,但当δ越大和β越小时,光束扩展受湍流的影响则越小。     

自适应光学校正空地光通信到达角起伏的研究

介绍了用自适应光学来校正到达角起伏的方法.通过数值计算对这一校正效果进行了分析研究.仿真结果表明:自适应光学能够很好地校正由大气湍流引起的到达角起伏方差.同时也证明了自适应光学系统的补偿效果与激光传输的距离和收、发孔径的大小有关系.     

后向散射回波与信标光到达角起伏对比实验

介绍了后向散射回波与信标光到达角起伏的原理性比对实验.该实验通过对比的方法验证后向散射的到达角起伏是否可以反映大气湍流强度.实验结果验证了后向散射的到达角起伏可以反映大气湍流强度.并且分析了对比参数.     

激光大气折射率结构常数测量实验与分析

在相距600 m的两地进行了静态激光大气传输实验,并对接收到的光强和光束到达角起伏进行记录.以每10min所记录的数据作为样本,计算出光强起伏方差和到达角起伏方差,并根据理论孔径平滑因子计算出点接收时的光强起伏方差,再分别根据光强起伏方差和到达角起伏方差计算出大气折射率结构常数.最后,得到一天之内大气折射率结构常数的变化曲线,并分析得出大气折射率结构常数在早晨和傍晚存在极小值.     

高阶贝塞尔高斯光束在非柯尔莫哥诺夫大气中的传输特性

利用广义惠更斯菲涅耳原理计算高阶贝塞尔高斯光束(BGB)在非柯尔莫哥诺夫湍流模型下传输的横向光强分布特性。该模型中,湍流对相位干扰的大小与距离和幂律有关。在远距离处,幂律对干扰大小的影响较为明显。通过Matlab进行数值计算的结果表明,远距离处(10km)的各阶BGB光束光强分布形式均有很大展宽,同时它们随幂律的变化也相对于短距离时更为剧烈。高阶BGB光束受到湍流干扰的影响要小于低阶光束。对于同阶光束来说,横向参数越大的光源在湍流中传输的展宽现象也越为明显。     

到达角起伏对上行星地激光通信系统性能的影响

在Kolmogorov湍流模型下,建立了到达角起伏对星地激光通信误码性能影响的理论模型。基于该模型,推导了星地激光通信系统误码率的闭合表达式。综合考虑光强闪烁、光束漂移和到达角起伏,推导出三者共同作用下,星地系统上行链路的接收光强概率密度解析式以及误码率的闭合表达式。文中采用的调试方式是适合星地激光通信的相干探测圆偏振调制。针对上行链路,仿真分析了弱、中、强湍流下,三者共同作用时,星地激光通信系统的误码率,并与不考虑到达角起伏条件下进行了比较。还分析了到达角起伏与误码率的变化关系,以及在考虑发射功率受限的条件下,三者共同作用对系统性能的影响。研究结果表明,除了光强闪烁和光束漂移以外,到达角起伏也是通信性能中不可或缺的因素。     

水下光通信系统在非Kolmogorov湍流中的传输特性

湍流效应是限制水下无线光通信(underwater wireless optical communication,UWOC)系统性能的关键因素之一。在强海洋非Kolmogorov湍流中,首先以平面波和球面波为光源,研究了采用孔径接收的差分相移键控(differential phase-shift-keying,DPSK)调制的UWOC系统性能。接着,基于Gamma-Gamma信道模型,利用Whittaker函数推导出了平均误码率(average bit error rate,ABER)的解析表达式。最后研究了不同光束形状、调制方式、孔径尺寸以及非Kolmogorov湍流参数即内尺寸和幂率对ABER的影响规律。结果表明,UWOC系统采用球面波传输、DPSK调制在比较小的内尺寸和较大的幂率湍流下传输经孔径接收可以提升ABER性能。     

空心高斯涡旋光束在各向异性non-Kolmogorov大气湍流的光强分布

为了分析大气湍流对空心涡旋光束传输光强的影 响,基于广义惠更斯-菲涅尔原理和 Rytov相位结构函数近似,利用各向异性大气non-Kolmogorov湍流谱模型,推导出空心高斯 涡旋(HGV)光束在各向异性大气湍流中的传输光强解析式,数值模拟分析了传输距离、湍 流参数和光束参数对光强分布的影响。研究结果表明:随着传输距离增大,HGV光束的传输 光强将由空心分布逐步演化为高斯分布,且拓扑荷数越大、束腰半径越小、波长越长的HGV 光束的光强受各向异性大气湍流影响越小;当湍流的各向异性系数、广义指数和内尺度越大 ,以及外尺度与结构常数越小时,HGV光束的传输光强随传输距离的演化会减慢,表明HGV光 束在较弱的各向异性non-Kolmogorov大气湍流中传输时光强分布受到湍流的影响较小。     

基于分形的大气湍流随机相位屏数值模拟

激光大气传输湍流效应是制约合成孔径激光雷达高质量成像的重要因素之一,对大气湍流统计特性进行了研究,建立了大气湍流随机相位屏分形模型,使用随机中点位移法进行模拟,分别产生了符合Kolmogorov及non-Kolmogorov统计规律的湍流相位屏.通过计算模拟相位屏的相位结构函数,与理论值比对,验证模拟相位屏的准确性,并与现有的谱反演法和结构函数法进行了对比,分析了各自的优缺点.结果表明,基于分形方法产生的相位屏与理论值更加接近,效果良好.     

Interferometric measurement of tropospheric phase fluctuations at 22 GHz on antenna spacings of 27 to 540 m

Phase fluctuations at 22 GHz introduced by tropospheric events were measured by observing cosmic compact radio sources with the Nobeyama millimeter-wave array on antenna spacings of 27 to 540 m. The observed interferometer phases were used to derive Allan standard deviationssigma_{A}of phase fluctuations. The standard deviationssigma_{A}had good relations to antenna spacingLas a function,sigma_{A} =A times L^{N} + B. The exponentNderived from the observations in February distributed around 5/6 as expected from the Kolmogorov turbulence model, but was smaller than 5/6 from the observations in May. Time domain spectra ofsigma_{A}also imply that atmospheric structures (such as moist air, clouds, precipitation, etc.) have seasonal variations. Meteorological parameters monitored at the height of 20 m did not show good correlations tosigma_{A}.     

利用闪烁和到达角起伏测量横向风速的对比研究

基于湍流冻结假说,利用时空相关函数分析了使用大气相干长度仪(DIMM)测量横向平均风速的原理,并通过闪烁和到达角起伏测量风速的路径权重函数确定风速传感器的安装位置。在弱湍流条件下,根据水平1 km传输实验测量的到达角起伏和光强起伏数据,分别计算横向风速并与风速传感器同时测量的参考风速对比,发现利用到达角起伏计算的风速与参考风速有一定的相关性。该实验拓展了大气相干长度仪的使用功能。     

Atmospheric Phase Error in Coherent Laser Radar

Coherent laser radar (ladar) deduces the shape, velocity and vibration of a remote target by measuring the round-trip optical phase or the Doppler shift of target-scattered light. Phase fluctuations from wind-driven atmospheric turbulence generate micro-Doppler or velocity error at mum/sec levels. The turbulence-induced noise spectra of all geometric phase components of the ladar, the average phase power spectral densities of arbitrary ladar receiver modes, and the resultant Doppler noise spectra, are derived in the Rytov approximation for any isotropic stationary turbulence, any wind velocity profile, any Fresnel number and any source illumination pattern. In Kolmogorov turbulence the piston phase noise spectrum, and the average phase shift over a time interval, are well-approximated by simple universal asymptotic forms dependent only on atmospheric coherence length, turbulence-weighted average wind speed Vmacr, and aperture size D. The spectrum slope changes at a critical frequency of order Vmacr/D. The approximate results do not depend on the usually-unknown outer scale of turbulence     

双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离

为了研究双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的扩展,采用广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出部分相干双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离zt的解析表达式。对湍流参量(广义指数、内尺度l0、外尺度L0)和光束参量(相干参量、离心参量)对湍流距离的影响进行了理论分析。结果表明,zt随的增大而先减小后增大,且在=3.11处存在zt极小值;zt随l0和的增大而增大,随L0(仅当3.64时)和的增大而减小。这一结果对双曲余弦高斯光束在实际湍流中传输的相关应用是有帮助的。     

Propagation observations at 3.2 millimeters

A millimeter-wave system for the transmission and reception of television signals has been constructed. The propagation path is 450 meters above sea level at the transmitter and traverses an 18.95-km path to the receiver, which is at an elevation of 39 meters atop a two-story building in El Segundo, Calif. The elevation angle is 1.17 degrees when corrected for curvature and refraction. Received picture quality and tropospheric scintillation and attenuation for various weather conditions are discussed. Tropospheric attenuation ranged from about 13 dB on a typical day to approximately 36 dB when moderate rainfall (∼4 mm/hr) occurred over much of the 18.95-km path. Tropospheric turbulence effects were almost nonexistent on days of heavy fog but reached peak-to-peak magnitudes of 20 dB or more in received signal fluctuations on dry, windy days. High quality television and voice reception were obtained over this link even during light to moderate rainfall periods (∼3 mm/hr). A transmitter output of approximately 100 mW, 0.61-m parabolas at each end of the link, and a receiver noise figure of 25 dB were the main system characteristics. Tropospheric attenuation measurements are in close agreement with values calculated from modified versions of the Van Vleck expressions for attenuation due to oxygen and water vapor. The average of measured tropospheric attenuation rates was approximately 0.7 dB/km for July 1965.     

Performance of differential phase shift keying maritime laser communication over log-normal distribution turbulence channel

Laser communication is essential part of maritime-terrestrial-air intelligent communication/sensor network. Among them, different modulation formats would play a unique role in specific applications. Based on Rytov theory, we discussed system performance of the maritime laser communication with repeated coding technology in several modulation schemes. The closed-form expression of average bit error rate(BER) from weak to moderate atmospheric turbulence described by log-normal distribution is given. Differential phase shift keying(DPSK) modulation, as a potential solution for future maritime laser communication, has attracted a lot of attention. We analyzed the effects of atmospheric turbulence parameters(visibility, refractive index structure coefficient, non-Kolmogorov spectral power-law exponent, turbulence inner scale) and DPSK system parameters(receiver aperture diameter, repeat time) on average BER in detail. Compared with the aperture-averaging effects, the system BER can be well suppressed through increasing repeat time. This work is anticipated to provide a theoretical reference for maritime laser communication systems.