LC-SLM激光大气传输湍流模拟及通信实验分析

采用功率谱反演法与叠加低频谐波方式数值模拟静态湍流相位屏,并根据湍流冻结理论仿真了动态湍流相位屏。采用液晶空间光调制器(LC-SLM)在实验室内搭建了大气湍流信道仿真平台,进行了Kolmogorov湍流模型下,不同湍流强度的激光大气传输模拟研究,对比分析了实验结果,与理论较为符合。同时实验研究了不同模拟湍流强度下激光通信误码率的响应关系,这对实验室内评估实际激光通信系统的性能具有重要应用价值。     

星-地激光大气湍流传输的时域特性模拟

首先采用多相位屏的方法对大气湍流进行模拟,接着采用基于协方差的插值方法产生足够长的湍流相位屏,以模拟大气湍流随时间的变化。在下行链路地面接收天线直径和上行高斯光束直径分别不同的情况下,数值模拟光强度随时间的变化,并对接收到的光强度信号分别进行时域和频域的分析。     

自适应锁相光纤激光阵列的湍流大气传输性能

研究一种具备校正活塞和倾斜像差能力的自适应锁相光纤激光阵列,利用多相位屏法对其在不同强度湍流大气中的传输性能进行数值计算,引入光束质量因子BPF对湍流大气的影响进行定量分析.当湍流强度较弱(折射率结构常数为Cn2+1×10-15m-2/3,传输距离为10 km,相干长度为4.3 cm)时,湍流大气对激光阵列传输的影响较小,光强分布与在真空中传输效果基本一致.当湍流强度较强(折射率结构常数分别为Cn2=5×10-15m-2/3和1×10-14m2/3,相干长度分别为1.6 cm和1 cm)时,自适应锁相光纤激光阵列的BPF分别为理想情形下的86%和70%;对应的未校正活塞像差和倾斜像差的光纤激光阵列传输至远场处的BPF值分别为理想情形下的55%和38%.计算结果表明,由于校正了活塞和倾斜像差,在较强湍流大气中传输时,自适应锁相光纤激光阵列能够显著提高远场光强的能量集中度.     

大气湍流信道中激光通信群延迟特性研究

选用数学模型模拟了激光大气通信系统中大气湍流信道的群延迟特性,并进行了数值计算,结果表明:大气湍流信道带来的群延迟失真很小,在激光大气通信中可以不予考虑。     

腔镜热畸变对激光在大气中传输特性的影响

从虚共焦非稳定谐振腔的激光场出发,考虑谐振腔反射镜热畸变对光束的影响,利用快速傅里叶变换(FFT)研究激光光束在湍流大气中的传输特性.着重分析了反射镜热畸变对环形强化学氧碘激光在湍流大气中传输产生的影响,给出了在大气湍流影响下激光光束传输不同距离的强度分布.利用β参数和Strehl比来评价光束质量的特性,结果表明:随着...     

涡旋光束在中强度湍流大气中的传输特性

主要分析了拉盖尔-高斯(LG)光束在中强度湍流大气中的传输特性。利用分步傅里叶法和相位屏法仿真了在水平通信链路和上下行通信链路情况下LG光束的强度分布、相位分布及螺旋谱分布情况。仿真发现大气湍流会影响LG光束的传输性质,而且拓扑荷和折射率结构常数越大,影响越大。另外,还发现上下行链路中LG光束受到大气湍流的影响比水平链路中受到的影响小。     

旋转相位屏的动态大气湍流数值模拟和验证方法

利用功率谱反演加次谐波的方法模拟产生了符合Kolmogorov统计规律的大气湍流畸变波前相位屏,重点分析了所生成的相位屏在旋转使用情形下的统计特性,为后续的相位屏旋转应用实验奠定了理论基础。通过子相位屏组相位结构函数及大气相干长度数值模拟结果与理论值的对比,对子相位屏组的统计特性进行了验证,并对模拟结果与理论值存在的差异进行了分析。结果表明,用功率谱反演加次谐波方法得到的随机相位屏是正确的,在旋转使用情形下,子相位屏组的相位结构函数与理论结果整体符合,但低频成分仍存在较大的偏差,其大气相干长度模拟计算结果较设计值偏大。     

大气湍流对激光通信系统性能的影响研究

大气湍流引起的光强起伏是影响激光通信系统接收信噪比和误码率的主要因素。文中旨在研究大气湍流状态对无线通信系统性能的影响。首先利用对数正态分布和Gamma-Gamma分布分别对信道进行建模,分析表明前者不适用于中强湍流下的光强起伏行为,而后者具有更广的应用范围。在此基础上,研究相位噪声对系统接收信噪比和误码率的影响。文中最后在不同信道条件下进行仿真实验,观察光强起伏方差引起的星座图变化和误码率恶化情况。实验结果表明,当光强起伏方差逐渐增大时,星座图相位角度和误码率均随之变大。文中的分析与讨论对提高激光通信质量具有一定的参考价值。     

一种空间激光通信中模拟湍流效应的新方法

大气湍流一直是限制空间激光通信的主要因素。提出了一种模拟大气湍流效应的新方法,在接收端用一对相关的幅度屏与相位屏来模拟大气湍流效应。针对星到地的激光通信,论文先将二重积分形式的幅度自相关、相位自相关以及幅度-相位互相关函数简化为一重积分的形式;然后根据这三种相关函数,基于协方差随机屏模拟方法同时产生一对相关的随机幅度屏与相位屏;并比较了模拟屏的结构函数与理论结构函数的符合度。该方法可有效模拟湍流内、外尺度对湍流效应的影响。     

高斯光束在大气湍流中的数值模拟和光强起伏

为了分析大气湍流对高斯光束产生的光强起伏现象,采用相位屏的方法,模拟出高斯光束经过大气湍流后在接受面上的光场分布情况,然后对模拟出的光场进行分析得到光强起伏的方差,并与理论得到的静态统计量进行分析比较,在一定程度上得到了较好的吻合。这一结果对各种近地激光应用是有帮助的。     

利用液晶空间光调制实现激光大气湍流效应动态仿真

针对工程应用中激光大气传输的特点和要求,分 析大气湍流对激光传输影响的规律和大 气湍流动态效应半实物仿真方法,提出一种多层大气相位屏数值模拟结合液晶空间光调制器 (SLM) 进行波前逆变换的激光大气湍流动态半实物仿真的技术途径。将多层大气相位屏的随机生成 的 相位数据序列经过计算机处理后注入光路中的液晶SLM,激光经过空间光调制后, 远场得到激光光斑的随机相位和强度起伏分布。讨论了远场激光大气湍流效应环境模拟装置 的 基本理论方法、实验依据并进行了初步分析。利用该装置模拟可产生不同类型湍流,并进行 湍 流效应对远场光斑影响的验证实验。本文方法具有实时性好、动态控制、扩展性强和可介入 半实 物仿真系统的特点,是激光大气传输建模与实现半实物仿真的技术途径之一。     

Influence of different propagation paths on the propagation of laser in atmospheric turbulence

The analytical expressions for the average intensity, root mean square （RMS） beam width and angular spread of Gaus- sian Schell-model （GSM） beams propagating under slant atmospheric turbulence are derived, and they are used to study the influence of different propagation paths on the propagation of laser beams in atmospheric turbulence. It is shown that under the same condition, the influence of atmospheric turbulence along a downlink path on the GSM beam propagation is the smallest among the three paths. Therefore, the downlink propagation is more beneficial to the beam propagation through atmospheric turbulence compared with the uplink propagation and horizontal propagation.     

湍流大气中动态激光散斑的数值模拟

首先在分步傅里叶算法中引入了时变相位屏,模拟了真空中漫射平面激光回波动态散斑场,统计计算了真空散斑场的空间和时间相关函数,分析了目标运动速度和发射波束半径对散斑相关特性的影响.然后根据冻结场理论,模拟了湍流大气中激光波束照射漫射面的回波动态散斑场,分析了风速对散斑特性的影响.结果表明,相关长度由目标上的光斑尺寸决定,光斑越大,接收面上的散斑越小.而相关时间不仅受目标平面上的光斑尺寸影响,还受目标平面上的光场相位影响,光场相位随着位置的变化越快,相关时间就越短.     

大气湍流中激光波束斜程传输的展宽、漂移特性

根据推广的Huygens-Fresnel原理推导了不同接收机高度斜程传输情况下波束的扩展半径.同时结合Mellin变换,导出了考虑外尺度情况下准直激光波束漂移方差模型,可以退化到不考虑外尺度时漂移方差.数值计算中应用ITU-R公布的随高度变化的大气结构常数模型,结果表明,斜程大气湍流中波束的漂移方差、扩展半径依赖于接收机高度和初始波束半宽.随仰角的增加,波束的有效半径和漂移方差不断减小;累积效应斜程传输波束受大气湍流的影响比水平传输要小得多.     

大气湍流对激光空间传输特性影响的实验研究

为了研究大气湍流对不同波长激光传输特性的影响,利用MATLAB对其进行了仿真,设计湍流模拟箱进行实验,将仿真和实验结果对比进行了理论分析和实验验证。对激光波前光强分布进行了观察与记录,并对不同波长激光束在相同大气条件下的光束漂移和光强起伏做了测量与分析;就大气湍流对线偏振光的偏振态影响进行了实验观测。结果表明,随着大气湍流的增强,激光波前光强分布容易受到明显的影响;激光束的光强起伏随着波长的增大而减小,其方差最高到达2.79×10^-2,而光束漂移则与波长无关,方差最高到达9.11×10^-12;线偏振光受到湍流效应的影响,其光强产生随机变化,且随着湍流强度的提高,变化程度更剧烈。实验测试数据结果与大气湍流理论相符合,这对激光大气传输的研究具有一定的参考价值。     

激光斜程湍流大气传输平均偏振起伏

运用光子密度分布函数和采用大气折射率起伏Von Karmam湍流谱、研究了相干激光通过斜程大气传输时的平均量子偏振起伏。通过唯象方法导出大气折射起伏对光场相位调制关系,从而建立了斜程大气光子密度分布函数模型。基于斜程湍流大气光子密度分布函数导出了平均＂量子偏振度＂的解析关系。结果指出：湍流大气导致光束偏振度起伏满足零均值高斯分布,大气湍流不影响光子偏振度统计平均值。     

大气湍流对拉盖尔-高斯光束传播质量的影响

为了从系统的角度研究大气湍流对涡旋光束传播 质量的影响,根据广义惠更斯-菲涅尔积分和Kolmogorov湍流大气原理,利 用傅里叶光学分析方法和光束分步传播法对携带有轨道角动量(OAM)的 拉盖尔-高斯(LG)光束在湍流大气中的传播进行理论分析与数值仿真, 导出角谱形式的衍射模型及其对应的抽样限制条件。利用桶中功率(PIB,power in bucket)计算方法,分析湍流强度对不同OAM值的LG光束质量的 影响;引入高斯光束和点光源,对比评估典型光束的抗湍流能力。数值仿真结果表明:受大 气湍流影响,随着LG光束在湍流大气 中传播距离增加,光束会聚能力变弱有明显扩散;光束本身特有的环状光强分布及其相应的 相位分布都受到不同程度的破坏,损伤 程度与光束本身携带的OAM数有关;点光源对湍流的影响最为敏 感;高斯光束具有与小OAM值的LG光束相比拟的抗 湍流能力,且比大OAM数的LG光束有更强的抗湍流能力。     

湍流大气中光波闪烁的斜程问题研究

根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU－R湍流大气结构常数模型，将水平传输的修正Rytov方法扩展到了斜程传输问题中。在零内尺度湍流谱模型下，得到了平面波入射时从弱起伏湍流区到强起伏湍流区闪烁指数随斜程Rytov方差的变化规律，最后讨论了闪烁指数随天顶角的变化情况。     

大气湍流对激光传输的影响

本文讨论了在高楼顶与校园后山头间1500m距离上,大气湍流对激光束传输的影响。给出了测得的Cn值范围,激光束传输曲率和激光束聚焦光斑直径等,它们与理论结果基本一致。     

大气湍流对舰载激光通信中光能量分布的影响

针对激光在洋面上大气湍流中传输时,光能量分布发生变化,影响激光通信质量。本文基于大气光通信信道模型,对激光在大气湍流中的传输进行模拟,分析大气折射率结构常数、传输激光的波长,传输距离对光能量分布的影响,并用MATLAB对其影响进行了数值模拟。结果表明：在仅考虑大气湍流对激光传输影响的条件下,传输激光的波长对光能量分布具有重要影响。