激光光束在海水中的空间传输特性分析

由于激光的初始发散角以及海水对光的散射作用,激光在水下传输时光斑大小发生改变,从而影响接收机的接收范围。采用波长为514 nm的蓝绿激光,基于水下无线光通信信道模型,模拟光子在海水中的传输过程,通过统计不同传输距离时的光子数和光子位置,建立了海水信道中的光斑扩展模型,分析了海水水质对高斯光束的光斑空间特性的影响。结果表明:高斯光束在海水信道中传输时,根据光强比值定义光斑大小的位置,1/e光斑半径与传输距离呈线性关系,线性增加系数为光源的发散半角;当接收机灵敏度为确定值时,传输较短距离后光斑逐渐减小;光斑大小由接收机灵敏度决定,随着接收机灵敏度的增加,在相同距离下,接收到的光斑大小基本呈线性增加。     

基于微气泡散射的水下无线光通信复合信道建模

海浪、船舶尾流以及海洋生物游动与呼吸等原因会导致海水中存在大量的气泡,气泡群带来的散射效应对光信号的水下传输具有重要影响,但典型的水下无线光通信信道模型一般不考虑气泡群带来的负面效应。为了进一步完善传统的水下无线光通信信道模型,本文利用Mie散射理论分析海水中的微气泡及微气泡群光散射特性,基于蒙特卡洛法建立包含气泡散射的复合海水信道模型,分析不同海水水质、气泡密度、链路距离等参数条件下接收端的光学特性和信号特性。结果表明:当链路距离为5m时,随着气泡密度的增大,接收端光斑的弥散程度加剧,其面积可增至初始大小的3～5倍,中心能量也显著降低,最多可降至最大值的05;当链路距离为10～40m时,气泡群的存在以及链路距离的增长会导致接收端第一次接收到光子的时间延长约10～200ns,且使脉冲展宽值增大;当链路距离为2～10m时,气泡群密度的增大最多可使归一化接收功率降低至初始值的0004,但随着水质的恶化,其他粒子含量提高,气泡群对接收功率的影响逐渐减小。该研究可以为水下无线光通信系统的设计和理论分析提供参考。     

基于级联交织码的水下LED光通信误码性能分析

为了提升系统误比特率,减小基线漂移以及海水信道的吸收散射等特性对光信号产生的影响,采用了基于水下发光二极管(LED)光通信系统的低密度奇偶校验码(LDPC)-里所(RS)级联交织码方案,在模拟水下LED光通信实验系统的情况下,分析码字方案中RS码、LDPC码以及交织参量对系统误比特率性能的影响,得到了级联交织码方案的优化参量,并进行了实验模拟验证。结果表明,优化后的级联交织码系统与未编码系统、RS码系统、LDPC码系统相比分别可获得3.8dB,2dB,1.2dB的增益,可有效提高系统的误比特率性能。该研究为提高水下无线光通信系统的可靠性提供了参考。     

水下无线光自动对准系统的设计与实现

水下无线光通信(UOWC)具有保密性好、容量大、传输速度快等优点,可应用于水下信息传输、资源勘查等领域,通信链路的快速建立和持续稳定是水下无线光通信实际应用的基本条件。在平台扰动和海水信道杂质干扰的条件下,如何实现远距离的快速对准是水下无线光通信必须解决的问题。针对水下无线光通信过程中系统发射端和接收端之间的链路由于干扰问题引起底层平台不断移动而无法对准的问题,搭建了一个基于激光二极管(LD)的水下无线光自动对准系统,该系统具有自动对准控制的特点,即系统在底层平台移动的情况下,依然可以实现链路的对准。     

各向异性海洋湍流对外差式DPSK无线光通信系统的性能研究

应用广义的惠更斯-菲涅耳原理及改进的Rytov方法,采用基于Gamma-Gamma光强概率分布的海洋湍流信道模型,得到了中断概率解析式.并在此基础上对各向异性海洋湍流高斯光束外差式差分相移键控(DPSK)调制的中断概率性能进行了研究.仿真分析了不同的各向异性海洋湍流下各种海洋湍流参数(温度与盐度波动对功率谱变化贡献之比、单位质量流体动能耗散率、均方温度耗散率)、传输距离、DPSK调制的数据传输速率对中断概率的影响.为降低高斯光束DPSK调制下的中断概率、提高通信质量及可靠性提供了理论依据.     

海洋湍流下波长分集无线光通信系统性能分析

由于海水的吸收、散射衰减以及海洋湍流效应会引起水下无线光通信（Underwater wireless optical communication,UWOC）系统接收端光信号的闪烁,导致UWOC系统传输性能下降。基于Gamma-gamma分布的海洋湍流信道模型,根据海洋湍流参数和各向异性因子表示的等效结构参数,推导出波长分集UWOC系统中断概率（Outage probability,OP）与平均误码率（Bit error rate,BER）封闭表达式。研究分析随着各向异性因子的增加,具有不同波长分集阶的水下无线光通信系统中断概率与平均误码率的变化,比较接收端使用最佳组合（Optimal combining,OC）与等增益组合（Equal gain combining,EGC）技术的水下无线光通信系统平均误码率,并仿真不同海洋湍流参数、传输距离对波长分集UWOC系统性能的影响。数值结果表明,随着各向异性因子的增加,海洋湍流对水下无线光通信系统产生的影响逐渐减弱,使用波长分集技术的UWOC系统比无波长分集技术的UWOC系统中断概率与平均误码率明显改善。     

用于水下通信系统的复合折反式接收天线设计

针对水下无线光通信系统中无法兼顾聚光效率和光斑均匀性的问题,文章设计了一种复合折反式接收天线。仿真结果表明,传统的菲涅尔透镜聚光效率只有58.725%,而新设计的复合折反式接收天线聚光效率达到86.557%。在保证高聚光效率的情况下,光斑的均匀性也较好,均匀度为0.659 3。随后分析了平行光源在不同角度入射时聚光效率和光斑位置偏移的变化,发现菲涅尔透镜在入射角为2°时聚光效率就只有3.582 2%;而文章所设计的复合折反式接收天线在入射角度为1.5°时,聚光效率仍可以达到50%以上,入射角度在4°时仍能检测到光斑。文章设计的接收天线在水下远距离无线激光通信系统中有很好的接收效果,该接收天线适用于高增益和小视场的水下无线激光通信环境。     

基于光纤振动的激光散斑抑制方法的研究

为了解决激光显微成像系统中散斑的抑制问题,采用散斑暗区比方法研究了光纤振动对显微散斑图像的影响。实验中采用波长为532nm的激光作为显微系统光源,利用光纤振动对激光显微图像散斑进行抑制;同时采用CCD图像传感采集系统对样品表面进行的显微成像,并对光纤在不同振动电压下的显微图像暗区比进行了分析。结果表明,随着振动电压的增大,图像的散斑暗区比会逐渐减小,当电压为2.6V时,图像散斑暗区比达到5.64%,散斑对比度为4.17%,接近人眼分辨率4%,可达到良好的散斑抑制效果。     

光纤光栅解调系统的寻峰算法研究

为了提高光纤光栅波长解调系统的反射谱寻优精度,利用遗传算法的未成熟收敛性进行了研究.阐明了遗传算法提高解调精度的原理,以可调谐F-P腔的光纤光栅解调系统为基础,验证了算法的可行性和可靠性.使用MAT-LAB对F-P腔滤波光纤光栅解调系统的反射光谱进行寻峰,得到传感光纤光栅的中心波长.分析了算法中初始种群数量、遗传代数、变异率对的寻优结果影响,并得到一组最佳遗传算法参量.算法精度达到3pm数量级,50次重复计算数据标准差小于0.5pm.结果表明,该算法稳定高效、实用性强,可以显著减小噪声对光纤光栅传感系统的影响,提高解调精度.     

液晶激光投影显示系统设计

激光显示技术与传统显示技术相比,具有色域大、颜色饱和度高以及功耗低等优点,已成为下一代显示领域的主要技术。利用激光投影技术和液晶显示技术的特点,设计了一种基于液晶空间光调制器的液晶激光投影显示系统。该系统使用波长为532 nm的激光作为投影光源,采用ARM微处理器对240×320分辨率的液晶空间光调制器进行控制,实现了图像以及文字的投影显示。通过激光束匀光和激光散斑均化,提高了投影显示图像的辐照均匀性,抑制了激光散斑对于投影显示图像的影响。实验结果表明:研究液晶激光投影显示系统对于激光投影技术具有重要的意义。