猫眼逆向调制通信链路信噪比分析

猫眼逆向调制激光通信比其他逆向调制通信方式的通信速率更快,其原因是通信链路逆向调制端的猫眼结构可以实现匹配尺寸更小的调制器。本文在柯林斯衍射积分公式的基础上得到经过大气衰减作用的猫眼激光回波接收功率,并进一步结合光电探测器噪声和大气湍流引起的闪烁效应,仿真分析了通信距离、湍流强度、激光波长、入射角度、猫眼孔径和接收口径对接收端信号信噪比的影响。     

“猫眼”逆向调制自由空间光通信技术

“猫眼”逆向调制自由空间光通信链路通过逆向调制器对入射光调制并使其原路返回到发射端,链路只需要在一端使用搜索、捕获、跟踪系统,和传统终端相比重量轻、能耗小、费用低、组网灵活。文章首先对“猫眼”逆向调制自由空间光通信原理进行分析,介绍了 “猫眼”光学系统和逆向调制器等核心元件的作用及特点,重点对“猫眼“光学系统优化方法及多量子阱电吸收型调制器和MEMS调制器的特点做了介绍,最后对MEMS调制器进行了简单的性能测试。     

入射角对猫眼光电系统回波光强分布的影响

为了研究入射角对猫眼光电系统回波光强分布的影响,从广义衍射积分公式出发,建立了倾斜高斯光束通过猫眼光电系统的光强分布模型,推导出其传输解析表达式,数值模拟了两种探测距离下光强分布随入射角度的变化规律.结果表明,在猫眼光电系统的半视场角范围内,入射光束为高斯光束时,探测距离、入射角的共同增大使得回波光束的能量逐渐减小,且分布模式越来越接近高斯模式;相比近距离探测,远距离探测时回波光强分布达到高斯模式对入射条件的要求更为严格.该研究为实际侦察提供了理论依据,尤其对入射角的选取具有指导意义.     

斜入射条件下“猫眼”目标回波功率分析

建立了斜入射条件下"猫眼"目标回波功率的计算模型,在此基础上建立了非离焦和离焦两种情况下"猫眼"目标反射的几何模型,推导出非离焦和正负离焦条件下入射角的变化范围,引入有效接收面积概念,得到了正负离焦引起的"猫眼"目标的回波发散角和有效接收面积,得到了斜入射条件下"猫眼"目标的回波功率计算公式,对入射角和离焦量对"猫眼"目标回波功率的影响进行了数值模拟.结果表明:入射角和离焦量的共同作用引起"猫眼"目标有效接收面积和回波发散角的改变,进而引起反射光场能量分布的变化,只有满足特定条件的入射角才能产生回波功率,入射角和离焦量的增大引起回波功率的减小,其中离焦量的变化对回波功率的影响作用显著,当入射角和离焦量都为零时接收到的回波能量最强.     

猫眼逆向调制激光通信接收放大电路的设计

猫眼逆向调制激光通信由于通信速率高,回波信号微弱,对接收放大电路提出了低噪声、高增益和宽带宽的严格要求。首先分析了猫眼逆向调制激光通信链路模型和信噪比对误码率的影响。然后,根据系统设计指标分析了电路的带宽、增益和噪声限度等性能参数;在此基础上设计了由跨阻放大模块和增益可变主放大模块构成的接收放大电路。最后,计算了电路的总噪声,并对电路的响应特性进行了仿真。该接收放大电路的带宽达到140 MHz,信号增益大于70 dB,总噪声电流约为1.34×10~(-7)A。结果表明,该设计能满足系统后续的数据处理要求。     

影响激光主动探测效能的机理研究

利用猫眼效应可对光电装备进行主动探测。面对环境的复杂性,寻求提高主动探测效能的方法尤为重要。建立猫眼效应分析模型,分析影响猫眼效应回波效能的作用机理,利用入射角,离焦量等参数推导出回波能量平均照度表达式,分析制约主动探测能力的因素从而寻求提高探测概率的方法,并利用FRED进行仿真。研究表明：离焦量产生回波发散角降低回波能量;微量的入射角在不改变有效通光口径的同时可以降低回波发散角;利用探测激光波长和发散角可以弥补猫眼系统固有的离焦量从而提高探测能力;仿真结果证实了这个结论。     

基于声光调制的逆向调制光通信系统研究

为了扩展自由空间光通信的应用领域,设计了一套稳定性好、实用性较强的逆向调制光通信系统。采用一种基于声光调制器、逆向光链路等核心元件的实验方法,利用现场可编程门阵列发出晶体管-晶体管逻辑门电平对声光调制器进行控制,采用二进制频移键控与二进制脉宽调制调制相结合的四进制调制方法,同时使用冗余校验置换、改进的汉明码等加密纠错方式,实现了室内逆向调制激光通信。结果表明,该通信系统的串口通信速率可达115.2kbit/s、高频载波达1MHz、且保密性良好、误比特率低于10-6,同时证明了激光外调制逆向通信系统载波最高可达到5MHz左右。     

激光斜入射条件下“猫眼”效应的实验研究

"猫眼"目标回波功率是激光主动探测系统的重要指标,可用来评估光电装备"猫眼"效应的强弱,并为探测器的优化设计提供参考。依据所建立的斜入射条件下"猫眼"目标回波功率数学模型,仿真分析了入射角对"猫眼"目标回波功率的影响,利用搭建的激光主动探测系统对典型"猫眼"目标进行了实验研究,理论仿真结果与实验结果表明,激光在有限斜入射条件下,"猫眼"目标回波功率将随入射角的增大而迅速下降,并很快湮没于噪声之中。这为进一步研究基于"猫眼"效应的激光主动探测适用条件提供必要的实验依据。     

“猫眼”效应在激光干扰效果实时评估中的应用

为了对非合作条件下激光干扰效果进行实时评估,根据“猫眼”效应形成原理,提出一种利用猫眼回波强度来评估激光干扰效果的新方法。分析了激光入射角、激光发射功率与距离对“猫眼”回波功率的影响,研究并实验验证了“猫眼”回波功率与光电成像系统被激光干扰效果之间的关系。结果表明,“猫眼”回波功率受激光干扰距离和干扰激光入射角影响最大, 当对抗反坦克导弹时,回波探测器离激光源的距离超过50m, 回波功率和干扰持续时间显著下降,可见“猫眼”效应原理用于激光定向干扰效果实时评估是可行的。这一结论对激光定向干扰设备技术研究具有一定的参考意义。     

逆向调制阵列大气激光通信的误码率分析

为研究逆向调制阵列对大气湍流的抑制作用,提高逆向调制大气激光通信质量。首先,建立了逆向调制阵列接收光束传输模型,分析了光束经大气传输到达逆向调制阵列的信噪比;然后,建立了逆向调制阵列反射光束在大气信道中的传输模型,推导了不同数目反射光束在接收端的光强概率分布模型,分析了在不同湍流环境下采用逆向调制阵列的激光通信误码率;最后,仿真分析了在中等大气湍流条件下传输距离为1 km时,采用三个逆向调制器组成的逆向调制阵列的通信误码率比单个逆向调制器降低4 dB。     

影响逆向调制反射光特性的因素分析

为了研究逆向调制器结构参数及接收距离对系统反射光特性的影响,通过建立猫眼目标离焦结构等效模型,采用几何光学方法对该模型进行理论分析,推导出表达反射光特性(发散半角、反射光斑半径、反射光功率密度)的相应计算公式并进行数值计算和实测实验。理论分析与实验结果表明:逆向调制器结构参数及接收距离对调制系统反射光斑半径和功率密度的影响明显且呈规律变化,减小透镜焦距、增大透镜口径、增大接收距离可以加快反射功率随离焦量变化速度,有助于改善调制效果。且一般情况下,正离焦的反射光发散半角小于负离焦的反射光发散半角。     

斜入射下液晶空间光调制器纯相位调制特性研究

利用Zygo干涉仪对斜入射下液晶空间光调制器的纯相位调制特性进行了测量。建立了斜入射下液晶空间光调制器的纯相位调制数学模型,研究了斜入射角度对相位调制特性的影响,搭建了基于Zygo干涉仪的测量系统,对不同入射角度下的相位调制特性进行了测量。测量结果表明:不同入射角度下相位调制量近似线性递增,入射角度越大,相位调制量递增的斜率越小;相同灰度值下,随着入射角度的增加,相位调制量逐渐减小;入射角度小于5°时相位调制曲线几乎重合,相同灰度值下相位调制量最大相位差为0.032λ。     

逆向调制激光通信作用距离及误码率分析

为了分析逆向调制激光通信系统中OOK调制方式下的误码率特性,在分析回波功率模型和误码率性能的基础上,利用Optisystem仿真软件建立了逆向调制激光通信链路。链路采用NRZ码对不同通信距离、不同能见度下的100 Mbps和1 Gbps通信速率进行了仿真,根据所得信噪比值计算出不同条件下的误码率,并结合“眼图”特征得出不同条件下可实现的逆向通信距离。结果表明,误码率随着大气能见度的增大而减小,随着通信距离增大而增加。在大气能见度为10 km的条件下,系统可以实现通信速率为100 Mbps、距离为2 km的逆向通信。     

基于级联马赫-曾德尔调制器的太赫兹通信系统

为了有效解决太赫兹通信系统中信号难以调制,影响通信系统性能的问题,提出了一种基于级联马赫-曾德尔调制器的太赫兹通信系统。将要传递的伪随机不归零码与频率为10GHz的射频本振信号混频后调制到级联马赫-曾德尔调制器上,通过调节两个调制器的偏置电压,使其分别偏置在最大传输点和最小传输点上,得到的光载波信号经过光放大器放大,结合高非线性光纤的四波混频效应,利用相移布喇格光栅进行模式选择,经过光电转换后的太赫兹信号通过基带数据恢复,可以得出该太赫兹通信系统传输的误比特率。结果表明,基于级联马赫-曾德尔调制器结构可以将太赫兹信号的产生与调制结合到一起。该研究对太赫兹通信系统的实用化有一定借鉴意义。     

基于“猫眼效应”的激光主动探测技术应用研究

基于“猫眼效应”的激光主动探测技术,是对无人机光电系统实施强激光干扰较为有效的探测和效果评估方法。基于对光学探测系统参数理论分析,建立了因离焦量而引起的回波发散角及回波功率计算模型。从激光发散角、入射角、反射角等方面研究了激光主动探测技术所受影响因素,为判别干扰是否有效,对激光回波探测功率的影响因素进行细化分析,在仿真条件下计算出激光干扰有效的入射角度范围。     

猫眼终端回波闪烁效应分析

利用Rytov近似和物理光学传输矩阵法,研究了猫眼光学系统离焦量对逆向通信系统中猫眼终端回波闪烁效应的影响,得到了水平传输时高斯波束在接收平面的闪烁指数的表达式,通过数值仿真实验分析了猫眼光学系统的离焦量对接收平面光强闪烁指数的影响.结果表明,无论湍流和传输距离如何改变,总是存在一定的离焦量使得闪烁指数最小;离焦量增大时闪烁指数总体呈现先减小后增大的趋势,且随着距离和湍流的增大闪烁指数也增大.     

线性阵列逆向调制器反射光强测试实验研究

为了分析逆向调制器的反射光场和反射光强的变化规律,利用532nm激光照射逆向调制器阵列,测试得到了离焦量、入射角变化时的逆向调制器的反射光场和反射光强,得到了阵列调制器反射光强与单个逆向调制器反射光强关系。测试结果表明,一定范围的正离焦使反射光束发散角变小,反射光能量聚焦度好,负离焦相反。入射角使反射光场发生畸变,反射光强与入射角成反比。离焦量为0或负离焦时,阵列调制器的反射光强是单个调制器反射光强的线性叠加。     

单光源全双工逆向调制的光通信技术研究

逆向调制光通信是自由空间光通信的一种特殊形式 ,它的系统包括两个不对称的终端:询问端和逆向调制端,询问端由光发送机和光接收机组成 ,逆向调制端由逆向调制装置组成。逆向调制光通信可实现逆向调制端对询问端的单向通信 ,它具有视场角大、功耗低、体积小等优点,适合于小平台工作环境。与 传统自由空间光(FSO)通信相比,逆向调制光通信系统无需复杂的跟瞄系统,但通常只能 完成逆向调制端对询 问端的单向通信。如果要实现逆向调制光通信的全双工通信,可以考虑从调制方式和系统设 计上进行研究。 本文从调制方式出发提出了一种单光源全双工逆向调制光通信方案,仿真分析了方案的信 号传输过程,实现了室内近距离逆向调制单光源全双工光通信实验,验证了方案的可行性 。     

逆向调制光通信的大气湍流及孔径平均效应

研究了逆向调制光通信回波反射链路中的大气湍流效应及抑制方法。利用相位屏方法模拟大气湍流效应,建立了弱湍流情况下高斯光束在传统无线光通信和逆向调制光通信中的传播模型,对比分析了高斯光束在传统自由空间光通信单向链路和逆向调制光通信双向链路中大气湍流引起的闪烁指数。结果显示大气湍流对逆向调制光通信回波反射链路的影响远大于对传统自由空间光通信中单向链路的影响。还研究了孔径平均效应对逆向调制光通信中回波反射链路中闪烁指数的影响。结果表明,对于逆向调制光通信,大的接收孔径对于大气闪烁的抑制依然有效。     

红外点源导引头的激光回波分析

为了研究用激光主动扫描法侦察远方飞航导弹来袭方位的原理及实验技术,以红外点源导引头光学系统为例,运用矩阵光学追迹法对影响"猫眼"效应回波强度的因素作定性、定量分析。研究结果表明,回波强度受导引头光路中光学镜头相对孔径、摄像管靶面倾斜和离焦的影响较大,扫描激光光束的入射角等因素对回波强度也有一定影响。在主动扫描装置距被探测导引头约10000m、扫描光束的入射角为0.08rad条件下,反射面离焦及倾斜使得侦察装置接收到的回波能量与发射脉冲能量之比由理想条件下的43.80%分别下降到1.53%和0%。这一结果对"猫眼"效应用于主动式侦察的原理在导弹来袭告警系统中的应用是有帮助的。