大气湍流与平台微振动影响下的星地激光通信性能

大气湍流与平台微振动的存在会导致星地激光通信链路的随机信道衰减,使通信质量无法得到保证.为了研究大气湍流与平台微振动共同影响下的星地激光通信性能,建立了联合星地激光链路随机衰减模型,并基于二进制相移键控调制、外差相干接收给出了该模型下系统平均误码率的闭合表达式.仿真分析了不同星地激光通信系统参数对系统误码率性能的影响,...     

阵列光束在湍流大气中传输的光强闪烁研究进展

相比单束光,阵列光束由于各光束之间互不相干,可以减小大气湍流引起的接收光强起伏。特别在激光照明和通信等应用场合中,非相干合成光束可以明显提高照明均匀性和减小通信误码率。简要介绍了相干合成阵列光束在湍流大气中传输的光强闪烁研究进展。针对非相干合成阵列光束在减小光强闪烁的优势,回顾了非相干合成阵列光束在激光主动照明、星地激光大气通信方面的实验研究结果;详细总结了子光束为不同类型的非相干合成阵列光束的理论研究方法和结果,包括不同波长光、基模高斯光、部分相干高斯光和艾里光。实际中子光束一般为部分相干光,它们互相之间存在相干性。提出了下一步应深入开展研究的问题为阵列光束大气的光强闪烁。     

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。     

星地激光通信中克服大气湍流效应研究进展

星地激光通信的关键问题是克服大气湍流效应对激光载波信号传输的影响。信号光束经过长距离大气信道传输后,相位不完整,波面受到畸变,导致接收端系统在解调信号过程中,通信误码率降低。根据国内外星地激光通信的研究进展和实验情况,介绍了几种克服大气湍流效应对高速率星地相干通信影响的方法及其原理。重点分析基于差分相移键控(DPSK)调制和干涉原理的相干探测技术在解调相位信息时克服大气湍流效应方面的优势,并对其进行了总结和展望。     

在湍流大气中传输时相干系统的抖动对远场的影响

为了研究相干合束激光在湍流大气中传输时,合束系统的抖动对远场的影响,采用惠更斯-菲涅耳原理推导了系统中单个光源因抖动造成偏离时的远场光强表达式。以正六边形阵列为例,分析了在不同湍流强度或者传输距离时,抖动对远场造成的的影响,并分别描绘了峰值光强及桶中功率不低于理想情况下92%时的抖动控制曲线。结果表明,抖动造成了远场的峰值光强和桶中功率的降低;当抖动范围相同时,随着湍流强度的减弱或者传输距离的减小,抖动的破坏更加严重。这一结果对研究湍流大气中的相干合束是有帮助的。     

自适应光学技术提高FSO性能的实验验证

搭建了一套37单元的自适应光学系统和155M/2.5G大气激光通信系统室内实验平台。结果显示:大气湍流对激光通信性能影响很大。使用芯径为62.5μm的多模接收光纤时,自适应开闭环误码率最大改善超过4个数量级;使用芯径为10μm的单模接收光纤时,可以很明显地观测到接收端信号的深度衰落现象,且衰落程度与误码率一一对应。自适应光学闭环后,深度衰落得到了抑制,也极大地降低了系统误码率。     

光纤激光阵列相干合束的研究

相干合束是获得高功率、高光束质量激光的一种重要方法。为了分析光纤激光合束的特点,通过对相干合束不同传输距离光强分布特点的模拟对比,研究了光纤激光阵列结构、相位随机抖动、光纤间距、传输距离等因素对相干合成的影响,分析了相干合成时桶中功率随传输距离的变化。结果表明,相干合成时,不同光纤激光阵列结构在传输距离较近位置光强分布差别很大;随着传输距离增加,光强分布基本都接近高斯分布;轴上点光强分布极大值个数和阵列结构环数紧密联系;各光束之间的随机相位差越小,相干合成效果越好。这些结果对光纤激光相干和束的实验研究有一定的参考价值。     

大气信道下窄线宽激光器对相干通信系统性能影响研究

在空间下行相干激光通信系统中,激光器的线宽大小会影响通信系统的性能,而窄线宽激光器能有效降低激光器线宽引起的激光器相位噪声,目前已经成为相干激光通信系统的首选。光信号在大气信道传输时,大气湍流会引起光信号强度和相位的波动,从而进一步影响系统的通信性能。针对上述问题,基于四相移键控(Quadri Phase Shift Keying, QPSK)通信系统的工作原理,进一步考虑窄线宽激光器线宽和大气湍流引起的光信号强度和相位的波动,给出了空间下行QPSK通信系统误码率模型。并基于该模型,数值仿真分析了窄线宽激光器对空间下行相干激光通信系统性能的影响。结果表明：大气湍流不仅严重影响系统性能,也会弱化激光器线宽对系统性能的影响。而对于大气湍流影响而言,其引起的相位波动要大于光强波动的影响。此外,随着通信速率增大,激光器线宽对于系统性能影响也会随之降低。文中对于空间下行相干激光通信系统的优化设计和调试具有一定的实际参考意义。     

自适应光学对星地相干激光通信性能改善研究

相干激光通信能够实现每秒数百吉比特的通信速率和接近量子极限的灵敏度,在未来天地一体化信息网络中具有广泛的应用前景。大气湍流引入的光学波前畸变是影响星地相干激光通信链路性能的重要因素。本文将自适应光学技术应用于大口径光学地面接收站,并系统地开展了4 Gbps高速相干激光通信试验,试验结果表明,自适应光学技术能够有效抑制中等大气湍流的影响,并提高相干激光通信的灵敏度和稳定性。     

矢量多高斯-谢尔模型光束在大气湍流中上行链路中的传输特性

为了有效地提高星地激光通信系统的通信性能,从推广的惠更斯-菲涅耳衍射原理出发,系统研究了矢量多高斯-谢尔模型光束在上行链路中的传输特性。研究结果表明,改变光束的横向相干长度能有效地改变其远场光强分布和大气湍流引起的光束展宽。另外,大气湍流会改变矢量多高斯光束的偏振度,但是在远场其偏振度会趋于一个固定值。该研究结果对星地激光通信等有着潜在的应用价值。     

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.     

多孔径发射对大气激光通信系统误码率的影响

大气湍流所引起的光强闪烁会严重影响大气激光通信系统的性能,导致系统误码率（BER）增加。通过Rytov近似理论给出系统误码率和光强闪烁的理论模型．并进行MATLAB数值仿真。分析结果表明：在大气激光通信系统中,通过采取多孔径发射的方式,增加发射机孔径数目,选用长波长的激光,能够减小光强起伏对系统误码率的影响。而且,各发射机发出的光束之间的相干系数越小,越能改善系统性能,降低误码率。     

多孔径发射对大气激光通信系统误码率的影响

大气湍流所引起的光强闪烁会严重影响大气激光通信系统的性能,导致系统误码率(BER)增加.通过Rytov近似理论给出系统误码率和光强闪烁的理论模型,并进行MATLAB数值仿真.分析结果表明:在大气激光通信系统中,通过采取多孔径发射的方式,增加发射机孔径数目,选用长波长的激光,能够减小光强起伏对系统误码率的影响.而且,各发射机发出的光束之间的相干系数越小,越能改善系统性能,降低误码率.     

星地链路空间光至单模光纤耦合效率补偿特性研究

在入射光瞳面处针对星地激光链路中空间光至单模光纤耦合效率补偿特性进行了研究,依据星地下行链路特点,对星地下行链路光纤耦合效率模型进行分析。在此基础上,利用基于单模光纤后向传输模场为加权函数的加权孔径正交多项式,建立光纤耦合接收系统波前相位模式补偿理论模型,运用该理论模型,通过数值模拟对波前相位进行模式补偿,给出波前相位模式补偿下平均光纤耦合效率与接收孔径尺寸和相位补偿项数的变化关系,以及典型接收孔径下采取一定项数的波前相位补偿后光纤耦合效率概率分布,为基于光纤耦合接收方式的星地激光通信链路波前补偿系统设计提供一定理论参考。     

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。     

基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量仪设计

对基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量系统进行了研究,系统利用脉冲激光在测量区域大气层内不同高度形成信标星,以此测量地面至信标星之间的大气湍流信息。本文在分析瑞利激光导星湍流廓线测试的原理和系统组成基础上,对系统关键参数进行了优化选取,并设计了激光发射系统和差分像移接收系统,最后对系统性能进行评估。结果表明:系统可对地面高度0.2~10 km范围内的大气进行湍流廓线测量,该技术在地基天文观测、星地激光通信、地基激光武器领域具有重要的应用价值。     

湍流尺度和相干参数对传输光强的影响

文章利用交叉谱密度函数得到了部分相干光的光强表达式,利用该表达式分析了斜程大气传输中湍流内外尺度、光源相干参数、天顶角对接收光强的影响.结果表明:斜程大气传输过程中,光源相干参数ζs越大,接收光强受湍流内外尺度变化的影响越小.在传输距离小于4 km时,湍流内外尺度变化对接收光强的影响可以忽略不计.相干参数对小天顶角时的...     

公里级湍流大气环境下光纤激光高效相干合成

光纤激光阵列光束相干合成可在提升输出激光总功率的同时保持良好的光束质量,进而提升激光亮度,是激光技术领域的研究热点。目前光纤激光相干合成实验已在实验室内获得了大量、良好的验证,然而在真实湍流大气环境下的长距离传输实验却开展较少,相干合成技术对湍流大气引入的相位畸变的校正能力尚需实验验证。目标在回路技术是实现长距离湍流大气环境下阵列光束到靶相干合成的重要方案,是近年来国际上的重点研究方向。基于自适应光纤准直器阵列和共形发射系统,搭建了6路光纤激光目标在回路相干合成系统,成功校正了湍流大气带来的相位畸变,实现了公里级作用距离、湍流大气环境下阵列光束在目标表面的相干合成。     

湍流大气中激光通信系统接收光功率的优化研究

以部分相干高斯-谢尔模型(GSM)光束为例,对湍流引起的漂移方差和扩展角进行模拟,综合考虑由光束漂移引起的瞄准误差和光束扩展引起的接收光功率密度的整体下降,对激光通信链路中接收端光功率进行数值计算和分析,找出激光通信系统中最佳发射光束的参数。研究结果表明,湍流大气中激光通信系统最佳发射光束的参数与光束的束腰半径、空间相干长度、波长、传播距离和湍流强度有关。部分相干GSM光束接收端光功率随着波长、光束束腰、空间相干长度和传输距离的变化存在一最优值。     

大气湍流对高速激光通信影响模拟实验研究

分析了大气湍流对高速激光通信影响的研究方法、现状及必要性,建立了高速激光通信用大气湍流模拟装置,提出了大气湍流对高速激光通信影响的模拟实验方案,采用实验室内半实物模拟的方法,利用大气湍流模拟装置模拟中弱强度的湍流,搭建激光传输实验系统,并进行了光强闪烁方差及频谱、到达角起伏方差及频谱等测试,结果表明,该大气湍流模拟装置的光强闪烁、到达角起伏符合-5/3理论,光强闪烁、到达角起伏是影响激光通信性能的主要因素,为深入研究大气湍流对高速激光通信影响提供了有效手段和方法,最后对大气高速激光通信未来的发展方向进行了展望。