空间光-光纤耦合技术进展与实验研究

总结了国内外空间光-光纤耦合技术在无线光通信中的研究进展,以提高空间光-光纤耦合效率为主线,介绍了西安理工大学在该领域的工作,包括空间光光纤耦合自动对准技术、自由空间光模式转换技术、空间光光纤耦合自适应光学波前校正技术、马卡天线的收发一体化技术。介绍了大气湍流中透镜阵列和单透镜耦合至单模光纤的耦合性能、大气湍流中马卡天线作为接收天线时的空间光耦合性能方面的研究进展。最后展望了无线光通信中的空间光-光纤耦合技术的发展前景。     

基于SPGD算法的自适应光纤耦合器阵列技术研究

自适应光纤耦合器(AFC)是一种可实现高稳定、高效的空间光至光纤耦合的新型自适应光学器件。研究了AFC阵列作为空间激光通信系统接收光端机的可行性。在不同的大气湍流强度下, 利用SPGD算法, 仿真研究了不同子孔径数AFC阵列的闭环控制过程。研究结果表明, AFC阵列技术可缓解大气湍流影响, 改善光纤耦合效率并提高耦合过程的稳定性;当等效接收口径一定时, 随着阵列子孔径数的增加, 光纤耦合效率及控制算法收敛速率都相应提升。     

OFDM带通信号光纤传输分析

理论上分析了OFDM信号在模拟光纤传输系统中影响载噪比的主要因素;一定的传输距离和发射光功率情况下,不同的子载波数存在一个最佳的光调制指数,使得系统载噪比最大;分析表明,系统以不到3dB的载噪比损失,信道容量可获得两倍的增长,系统有较强的容量调节能力.     

湍流引起的空间光到单模光纤耦合功率的衰落

通过模拟湍流波前的振幅起伏及相位起伏,研究了湍流对空间光到单模光纤耦合的影响。研究表明,湍流相位起伏引起的耦合光功堂璺华至服从对数正态分布,在相同的起伏方差下,其衰落深度比对数正态分布下的衰落大;对于给定的衰落概率,在Fried参数r0比较小时,采用小直径天线比大直径天线更有利,衰落更小。     

抗湍流大气衰落的光学阵列天线特性

针对湍流大气光传输特性,研究分析了一种光学阵列接收天线的特性.光学阵列接收天线在光路上使用移相器和耦合器等光学元件对光信号进行处理合并,使天线的输出信号的信噪比最大;根据对天线分析计算得到的信号分布特点,在天线合理分配安装和使用小尺寸透镜时,可增大光学系统视场角.经过仿真计算,与单透镜在相同接收条件下的接收端信号的信噪...     

CO_2激光外差探测的大气影响

本文扼要介绍用来研究大气湍流影响的10.6微米CO_2激光外差探测技术;通过外差效率随大气湍流强度而变的实验,着重研究大气湍流引起空间相干性的退化。分别在1和8公里距离上,在不同的湍流强度情况下,完成了外差效率的测试工作。结果表明,在中等湍流强度下,φ300毫米以下的接收口径,大气光学效应对外差效率的影响不大。与D.L.Fried的理论(在D<相似文献   

自适应光学校正下空间光通信的光纤耦合效率及斯特列尔比

采用光纤部件的自由空间光通信系统需要把接收到的光束耦合进单模光纤中,然而由于大气湍流的影响,使光纤耦合效率下降。自适应光学能够减小大气湍流效应,提高光纤耦合效率,根据大气湍流参数的空间光到单模光纤耦合效率表达式,得到了自适应光学校正下单模光纤耦合效率表达式,仿真结果显示:自适应光学能够增加空间相干长度,从而有效提高光纤耦合效率。同时还研究了斯特列尔比与耦合效率的关系,结果表明:无论有无自适应光学校正,两者都具有很好的拟合关系,因此在实际中可以用比较简单的斯特列尔比近似估计耦合效率。     

无线光载射频通信系统误码率性能分析

理论分析了大气湍流信道下无线光载射频通信系统的误码率,推导出从弱湍流到强湍流环境下采用BPSK调制格式的无线光载射频通信系统平均误码率闭合公式。基于公式,进行了数值仿真,仿真结果表明Rytov指数、接收天线直径和传播距离是影响系统误码率的主要因素,并讨论了误码率随这3个参数的变化趋势。最后研究了MPSK/MQAM在无线光载射频系统中的误码率性能,得到一种具有较低误码率和高比特速率的调制格式。     

弹载天线载体截短对天线辐射特性的影响

应用几何绕射理论（GTD）对弹载口径天线载体截短对子午面辐射特性的影响进行了分析计算。截断模型包括弹体尾部圆柱部分、尖端锥体部分以及同时截短尾部圆柱部分和截断尖端锥体部分。计算结果表明，将弹体适当截短对弹载天线子午面内辐射特性影响很小，完全可以成绩单 载天线的测量中对弹体进行截短处理。     

湍流扰动单模光纤耦合效率概率分布研究

为了研究大气激光通信中单模光纤耦合接收效率起伏概率分布特性,建立了受大气湍流扰动的瞬态耦合效率计算模型,据此得出影响光纤耦合效率统计分布的最少无量纲参数.通过研究发现:随着孔径半径-大气相干长度比的增大,耦合效率逐渐减小;随着耦合几何参数的增大,耦合效率先增大后减小,在某一点取得最大值.通过对空间光到单模光纤的瞬态耦合效率进行蒙特卡罗模拟与分布特征分析,提出使用双Johnson SB;分布来拟合瞬态耦合效率的概率密度函数,并用实验测量数据进行了验证.研究结果可以为不同大气湍流条件下的空间光到单模光纤耦合系统参数优化设计提供参考,有助于实现光纤耦合的大气激光通信系统.     

空间光通信光纤耦合效率及补偿分析

受大气湍流影响,空间光通信系统中接收光至单模光纤耦合效率降低,根据弱湍流理论,推导了Kolmogorov湍流信道情况下准直高斯光束至单模光纤平均耦合效率表达式,仿真了1 km传输距离下不同接收孔径下平均耦合效率与湍流强度的关系,结果表明:当大气折射率结构常数达到10-12时,耦合效率降到0.1以下,且耦合效率随接收孔径增大而降低。采用37单元自适应光学系统（AO）进行补偿实验,对畸变波前进行重构再利用反射变形镜进行修正的方法,对比不同AO状态下波面图质量及远场长曝光成像及质心位置漂移,发现AO进行低阶像差校正后,波面峰-谷值及标准差减小、斯特列尔比（SR）及耦合效率增加,进行高阶校正后情况进一步改善。     

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。     

深空光通信接收方案的改进及误码性能分析

为了更好实现在不同背景光和大气湍流条件下的 深空光通信,研究对比两种深空信道的接收方案模 型。方案一为传统的接收方案,直接将光子探测器阵列放在天线的焦平面处,并在其前面加 上小孔光阑, 方案二为改进后的接收方案,将小孔光阑放置在焦平面处,光信号通过光阑后再经准直镜到 达探测器阵列 上。本文首先建立起大气湍流模型和背景光模型分析其对于接收端的影响,然后对所加的小 孔光阑的孔径 大小进行优化,最后在最佳孔径下对比两种接收方案的性能。仿真结果表明,在不同湍流和 不同背景光时 对应的最佳孔径都不一致,可以为后续设计地面接收系统提供一定的参考。而方案二比方案 一在不同背景 和大气湍流条件下性能也均有所提升,尤其在较强背景和大气湍流时方案二性能提升更加明 显。     

非均匀关联光束在湍流中的单模光纤耦合效率（特邀）

研究了非均匀关联光束经过大气湍流后的光纤耦合效率。研究结果表明,大气湍流中非均匀关联光束的光纤耦合效率优于传统高斯谢尔模光束;且调控光束相干长度可以提高光纤耦合效率;针对不同传输距离的情况,可以通过调控光束相干长度实现耦合效率的最优化。同时,文中还讨论了光源参数:束腰和波长;耦合透镜参数:接收孔径和焦距;湍流强度对光纤耦合效率的影响。该研究成果证明光场相干结构调控技术在提升光纤耦合效率中的应用,在自由空间激光通信研究领域存在重要价值。     

高隔离度双极化孔径耦合天线设计

采用多层贴片、垂直双H型孔径耦合结构设计了一种高隔离度双极化孔径耦合微带天线。主要通过实测分析不同贴片间距以及孔径大小对天线隔离度的影响,确定了最佳贴片间距和孔径尺寸。经AgilentES062A矢量网络分析仪实测,得出天线两个端口的回波损耗在2．4～2．5GHz能达到一16dB以下,在工作频段内双端口隔离度优于一31dB,与仿真结果吻合较好。该设计结构简单,成本低廉,易于制作,且可作为双极化基站阵列天线单元。     

相干测风激光雷达望远镜孔径及截断因子的优化分析

基于相干多普勒测风激光雷达外差探测理论,给出自由空间和光纤耦合两种模式下外差效率的解析表达式,并通过参数替换使两者具有统一的形式;结合此表达式以及湍流环境下的信噪比公式,仿真给出了地基及星载相干测风激光雷达系统不同探测距离处的最优望远镜和截断因子。研究结果表明地基系统信噪比随着望远镜孔径变化比较陡峭,存在最优望远镜孔径和截断因子,如若取值不恰当,会造成系统信噪比巨大损失;而星载平台下回波信号的信噪比随着望远镜孔径先增加后保持平稳,望远镜孔径可以综合成本和信噪比进行合理取值,最优化的截断因子为80%。此研究对相干多普勒测风激光雷达探测理论的发展及系统器件的最优化配置提供了重要的理论依据。     

激光大气传输中的不完全相位共轭数值模拟

采用含时四维程序数值模拟了激光在湍流大气巾传输的不完全相位共轭。比较了不同孔径信标对探测光的反射率,考察了中弱湍流条件下采用不同孔径信标传输不同距离时硬孔的相位共轭保真度和反射率随湍流结构常数的变化规律,及强湍流条件下采用不同孔径信标时软孔的相位共轭保真度和反射率与高斯孔径的关系。结果显示：中、弱湍流条件下,直到3km传输距离,0．5m的接收孔径都足以提供点信标较为理想的相位共轭补偿,3km传输中等程度湍流下Cn^2=10^-15m^-,大信标有较为明显的优势,其保真度高于小信标．所需的系统放大倍率也远低于小信标;3km传输强湍流下Gn^2=10^-13m^-2/3,大信标的保真度反而低,而PCM孔径小时也能获得较高的保真度。     

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...     

平面近场测量中截断误差对口径场的不确定性分析

截断误差作为近场测试中较大的误差源之一,对它的分析和研究有一定的必要性。为构造出真实的口径场,找出阵中失效单元的位置,以更好地“诊断”天线,文中对截断误差对口径场的影响进行了分析,并用计算机模拟的方法通过构建模型分析了不同的截断角对天线口径场幅度相位的影响。