无线光通信系统大气信道特性的分析研究

介绍了大气激光通信的基本原理、关键技术和应用领域;分析了大气信道对无线光通信系统的影响,着重分析大气的衰减效应和大气的湍流效应;指出在我国特定地区进行大气信道测试的必要性;最后介绍和分析了大气信道特性的主要测试方法.     

大气对近地面无线激光通信链路的影响

由于无线光通信有通信容量大,保密性好,抗电磁干扰,结构简单等优点,近年来随着适合无线光通信应用的先进通信电子设备等技术的成熟,又掀起了对其研究的热潮,无线光通信被视为下一代光通信的发展方向之一。首先指出了无线光通信的技术优势并回顾了其发展史,阐述了大气对近地面无线激光通信系统链路的影响,重点研究了大气的衰减和大气湍流效应中的光强(大气) 闪烁、光束弯曲和漂移及光束展宽,并对大气闪烁进行了仿真。最后对近地面无线光通信进行了展望。     

大气对近地面无线激光通信链路的影响

由于无线光通信有通信容量大,保密性好,抗电磁干扰,结构简单等优点,近年来随着适合无线光通信应用的先进通信电子设备等技术的成熟,又掀起了对其研究的热潮,无线光通信被视为下一代光通信的发展方向之一。首先指出了无线光通信的技术优势并回顾了其发展史,阐述了大气对近地面无线激光通信系统链路的影响,重点研究了大气的衰减和大气湍流效应中的光强(大气)闪烁、光束弯曲和漂移及光束展宽,并对大气闪烁进行了仿真。最后对近地面无线光通信进行了展望。     

自由空间光通信在大气信道下的通信性能分析

大气信道环境是影响自由空间光通信性能的主要因素。针对近地激光通信和星地激光通信2种应用场景,分别对雾、雨、雪等近地环境下的大气衰减信道,以及压强、速度和温度星地环境下的大气湍流信道进行了理论建模,并对2种通信信道下的误码率进行研究,对比了不同调制格式在Gamma-Gamma分布信道模型下的通信性能。通过理论推导和系统仿真,分析了大气透射率、大气折射结构系数以及信噪比对通信距离与通信性能的影响。仿真结果表明,短距离通信时采用适当的较高调制格式能有效地抑制大气湍流的影响。     

大气对自由空间光通信的影响机理及改善方法

大气效应对通信链路的影响限制了自由空间光通信技术的应用,研究其影响机理和改善方法有利于降低光通信链路的误码率,提升通信速率及距离.总结了大气对自由空间光通信的影响机理,指出了不同大气效应对光通信的影响形式,其中包括光强衰减、脉冲展宽、光强起伏和闪烁、光束漂移、光束扩展、相位起伏等.综述了现有的大气影响改善方法,主要包括大孔径接收、多波长传输、多光束传输、部分相干光传输、自适应光学等技术,并简述了进一步开展工作的方向.     

无人机对地光通信临界调制速率锁定

为了在现有条件下对无人机遂行对地光通信任务的调制传输速率有一个准确的衡量,需要建立合适的机载光通信大气信道模型。首先划分空域范围,将影响要素限定在对流层内;之后基于对流层典型大气效应建立了综合影响模型,又进一步建立了无人机对地光通信的信道传输模型。在现有条件下进行无人机参数设置,并对不同高度条件下无人机对地光通信的有效信息总量进行仿真,得到了遂行光通信任务的最佳通信高度为2 660 m;在此高度条件下,通过选取合适调制速率点对信道传输模型进行仿真。结合临界有效信息总量的设置及仿真结果,在满足光通信系统反馈检验需求的基础上,将无人机光通信临界调制速率需求锁定在1.12 Gbps。为现有条件下光通信调制系统的设计提供了评估标准,具有较强的指导意义。     

大气衰减和大气湍流效应下多输入多输出自由空间光通信的性能

为了减小大气衰减效应和大气湍流效应对自由空间光通信的影响,采用了多输入多输出技术。假定自由空间光通信系统采用开关键控强度调制直接探测,信道独立同分布、无记忆平稳遍历并且具有加性高斯白噪声,在发射端和接收端都可以获取理想信道状态信息;建立了综合大气效应下多输入多输出信道模型和系统模型,推导了等增益分集合并下自由空间光通信系统的遍历容量和中断概率闭合表达式,仿真分析了各种天气条件和大气湍流对空间光通信链路的影响,结果显示随着发射孔径和接收孔径的数目增多,大气效应的影响逐渐减小,通信系统性能随之提高。从系统复杂度及性能提高程度综合考虑,选择2个发射孔径、2个接收孔径较为合适。     

雨雾共存天气下大气衰减计算的修正模型

针对雨雾共存的特殊天气条件下大气衰减计算模型误差较大的问题,由雨雾天气的物理现象入手,对现有模型进行修正,提出更为精确、合理的大气衰减计算模型,并采用该模型对无线光通信系统的链路余量进行仿真分析。结果表明,采用已有的理论模型计算将引入较大的系统误差,而修正的计算模型更加精确。提出的修正模型和分析结论对无线光通信及其他相关领域中大气衰减的估计和评价具有重要指导意义。     

大气湍流对近地无线光通信链路影响的研究

大气湍流是影响大气无线光通信系统性能的主要因素之一,其影响主要表现为光通信系统中接收端接收的光强存在闪烁效应。本文将这种闪烁效应看作是光通信系统传输的乘性噪声,对光通信系统的传输性能进行了仿真和分析并与采用Turbo码编码的系统进行了比较。仿真结果表明,Turbo码是用来抑制大气湍流影响的一种有效的编码方式。     

大气激光通信系统数学仿真方法研究

基于大气光学理论与激光通信技术,总结了大气激光通信信道特点和模型公式组,改进科学计算软件中的图形化编程模块,设计了一套大气激光通信数学仿真系统,可供光端机开发、研究信道编码、分析大气信道特性及光通信系统计算机辅助设计时使用。     

紫外光通信的散射信道简化模型

针对不同的紫外光通信模式,提出了非直视单散射信道模型的简化模型,通过实验验证了简化模型的准确性和高效性;在简化模型的基础上,对各种典型天气条件下,不同通信距离的能量损耗等进行数值仿真和结果分析,为日盲段紫外光散射通信系统的能耗分析提供了理论依据。通过对仿真结果的分析可知,简化模型可在保证仿真精度的前提下,提高仿真速度105倍;通信距离较小时,能见度对能量变化的影响较小;当距离增大后,薄雾天气对能量衰减迅速增加;随着距离的增加,轻霾、晴朗、非常晴朗等天气对能量衰减影响程度的差异也逐渐增加,即能见度越低,能量衰减曲线越陡,反之,曲线越平缓。     

雾衰减经验模型的适用性分析

雾衰减经验模型的计算是预测雾衰减的一种重要方法。为了将雾衰减经验模型应用到实际中进行适用性分析, 从米氏散射理论出发, 采用理论推导和仿真分析的方法, 计算了Kruse模型、Kim模型和Ijaz模型中激光在不同能见度下的衰减, 分析了3个模型在计算衰减系数时的差异, 并通过搭建自由空间光通信实验平台, 将实验结果与仿真结果对比分析。结果表明, 650nm波长的激光在雾衰减信道下的衰减结果与Kim衰减模型更接近。此研究结论为西安地区自由空间光通信系统雾衰减系数分析提供了参考依据。     

大气对外差探测激光雷达影响分析

对于光外差体制的激光雷达而言,为减弱大气扰动的影响,需要研究大气衰减及大气湍流对其探测性能的影响.从光场的复振幅和探测面上光斑的爱里斑模型出发,给出了信噪比这一表征外差探测系统关键性能指标.分析了大气衰减和大气湍流对信号光复振幅的影响,研究了大气衰减和弱湍流相位起伏下的光外差探测效率.研究表明,大气衰减不会造成外差效率...     

一种基于复数相位屏的强激光大气传输仿真方案

针对传统实数相位屏法中只能表征湍流扰动而不能综合表征强激光在大气传输时导致的能量衰减、湍流扰动和非线性热晕效应等困难,提出一种基于复数相位屏表征的强激光大气传输仿真方案.该方案采用复数相位屏的实部和虚部分别表征衰减和湍流、热晕作用,其中基于能见度特征综合描述大气吸收和散射的衰减作用(复数相位屏的虚部),基于流体力学的密...     

弹道导弹中段红外辐射特性数学建模与仿真

针对TBM中段的弹道特性,根据热平衡理论建立了TBM在中段的温度计算模型,然后根据普朗克定律建立了目标红外辐射计算模型;在红外辐射的大气传输理论基础上,综合考虑大气吸收、散射及气象条件等各种因素,分析了大气衰减对红外辐射的影响建立了大气透过率的计算模型,得到了大气衰减作用下的目标辐射模型;最后,在假定的仿真条件下,利用模型计算了两种波段下目标红外辐射强度、大气光谱透过率以及经过大气衰减后的红外辐射强度,并对计算结果进行了分析,结果表明,这是一种计算TBM中段红外辐射的有效方法.     

地面坦克目标红外仿真方法研究

红外视景仿真目前已成为红外成像制导武器设计和评估的一种重要方法。在分析红外成像原理的基础上,提出了一种基于OpenGL的地面坦克目标实时红外视景仿真方法,并编制了仿真程序软件。首先,利用OpenGL建立可见光场景,并使用ANSYS软件构建该场景的温度场模型;其次,考虑模型和视点间的大气衰减作用,利用Modtran软件建立大气衰减模型;最后,对模型各部分到达探测器表面的红外辐射强度进行灰度量化处理,实现可见光场景的实时渲染,得到对应的红外仿真图像。仿真结果表明,该系统提高了计算目标红外辐射分布的实时性和便捷性,能够实时生成不同波段、不同大气环境下的红外图像。     

大气激光通信系统中频域解卷积抑制乘性噪声的研究

大气湍流引起的乘性噪声会导致大气激光通信链路性能的恶化,引起误码率增加.在Gamma-Gamma湍流信道模型下,采用频域解卷积滤除4PSK调制大气激光通信系统中的乘性噪声.通过计算机仿真对4PSK大气激光通信系统的星座图和误码率进行分析,结果表明在不同天气条件下采用频域解卷积可以滤除系统的乘性噪声,有效地抑制了大气湍流对大气激光通信系统的影响,减小了大气激光通信系统的误码率.     

无线光通信光功率衰减模型分析

现有的无线光通信系统中,光功率衰减模型普遍采用的是平面波假设下的模型,而实际无线光通信系统发射的激光是高斯光束。因此,建立高斯光束下的光功率衰减模型更加符合实际情况。利用理论推导结合仿真的方法,分析了高斯光束下发射光功率计算中积分限的选取,在综合考虑精确性和简易性的原则下,建立了高斯光束的光功率衰减模型,并以此为基础,比较了平面波和高斯光束下的光功率衰减模型,研究了平面波近似带来的误差。结果表明:两种模型明显不同,平面波假设下的模型会低估无线光通信系统的性能,在分析最大可通信距离时会带来12%~13%的相对误差。     

Ka频段卫星通信地空链路的大气衰减

在卫星通信系统的设计中,设计人员往往更关心降雨对电波传播造成的降雨衰减,而易忽略在一般情况下晴空大气对卫星通信地空链路微波传播的影响。但是当系统的链路余度较小、天线仰角较低的情况下,应考虑晴空大气造成的衰减。论述了 Ka 频段卫星通信链路大气衰减的计算方法,给出了计算结果,可供从事类似工作的相关人员参考。