Effect of clear atmospheric turbulence on quality of free space optical communications in Yemen

Free space optical (FSO) communication is one of the most recently developed modes of wireless communication.FSO is a technique used to convey data carried by a laser beam through the atmosphere.While FSO offers a broadband service,it requires a line of sight communication between the transmitter and receiver.The atmosphere has effects on the laser beam passing through it.For instance,the quality of data received is affected by the scattering and atmospheric turbulence.The atmospheric turbulence is caused by both temporary and special random fluctuations of the refractive index along the optical propagation path.Clear air turbulence impairs the performance of the FSO due to the fluctuation in the intensity of the laser beam.By referring to the two criteria,namely bit error rate (BER) and signal to noise ratio (SNR),this work includes analysis of the effect of atmospheric turbulence on FSO systems in Yemen by using an appropriate model.     

用光纤准直耦合光路测量大气光学湍流

阐述了利用光纤准直器对组成的耦合光路的附加损耗产生的机理,证明大气湍流运动可引起该光路的附加损耗发生随机变化。根据湍流大气光传播原理,推导出了耦合光功率与光路参数和湍流参数关系式。分析表明：实际湍流大气造成的随机附加损耗主要取决于湍流强度。实验验证了利用该光路可在很短的空气间隙内获得湍流强度的变化信息。     

Optical Communication Using Subcarrier PSK Intensity Modulation Through Atmospheric Turbulence Channels

This paper studies optical communications using subcarrier phase shift keying (PSK) intensity modulation through atmospheric turbulence channels. The bit error rate (BER) is derived for optical communication systems employing either on/off key (OOK) or subcarrier PSK intensity modulation. It is shown that at BER = 10^-6 and a scintillation level of sigma = 0.1, an optical communication system employing subcarrier BPSK is 3 dB better than a comparable system using fixed-threshold OOK. When sigma = 0.2, an optical communication system employing subcarrier BPSK achieves a BER = 10^-6 at SNR = 13.7 dB, while the BER of a comparable system employing OOK can never be less than 10^-4. Convolutional codes are discussed for optical communication through atmospheric turbulence channels. Interleaving is employed to overcome memory effect in atmospheric turbulence channels. An upper bound on BER is derived for optical communication systems employing convolutional codes and subcarrier BPSK modulation.     

Gamma-Gamma大气湍流中部分相干光通信系统性能研究

部分相干光在湍流大气中传输时,可以有效抑制湍流所引起的光强闪烁效应,从而改善通信链路性能。针对Gamma-Gamma大气湍流信道模型和部分相干光的光束特性,得到了采用OOK调制方式下部分相干光通信系统的平均误码率、中断概率和平均信道容量三个性能指标的解析表达式;在此基础上,分析了光束的空间相干长度和通信距离对通信链路的性能影响。计算结果表明,在相同的大气湍流条件和传输距离下,随着部分相干光的空间相干长度的减小,系统的误码率和中断概率逐步降低,在平均信噪比为30 dB时,系统的误码率可以达到10-5,中断概率低于10-6;另外,系统的平均信道容量会随着光束相干长度的减小而增加,在信噪比等于12 dB时,平均信道容量达到3.8 b/sHz-1。分析结果为部分相干光在湍流大气中实现可靠通信提供了理论依据。     

海洋大气湍流对激光通信系统性能的影响分析

大气湍流引起光波强度在光束截面内的闪烁,降低了激光通信系统的信噪比.应用基于Rytov近似的激光大气传输光强起伏理论模型,在局地均匀各向同性Kolmogolov湍流谱的假设条件下,对大气湍流引起的光强起伏进行了分析.并从信号检测理论出发,将大气湍流与激光通信系统误码率指标相结合.分析结果表明,在典型的海洋大气湍流环境下,以误码率指标衡量,随着C2n的增加,激光通信系统的有效作用距离大大缩短,当C2n达到5×10-15m-2/3时,通信的有效距离不足2 km,当C2n达到3×10-14m-2/3时,通信的有效距离降至1 km以下.     

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.     

自由空间光通信系统中弱大气湍流引起的相位波动和强度闪烁对DPSK调制系统的影响

大气湍流是自由空间光通信链路系统的主要限制因素。大气湍流造成光束的强度闪烁和相位起伏。因此,基于MZI-DPSK调制,考虑大、小湍流尺度引起的强度闪烁和相位噪声对误码率的影响且强度闪烁满足逆高斯分布和相位波动满足高斯分布。利用分布式天线阵接收技术,研究了大气湍流下自由空间光通信链路的误码率性能,推导了在内外尺度下,分布式天线阵接收的误码率关于相位误差的函数表达式。为了提高误码率的性能,天线阵接收采用了最大比合并技术。仿真结果得出相位误差对误码率的影响很大;内外尺度对误码率的影响可以忽略不计。采用天线阵接收可以降低系统的误码率,提高通信系统的性能,且得出天线阵接收的最佳子天线个数。     

下行传输孔径接收光强起伏的统计特性

为了研究星地下行激光链路接收光强起伏的统计特性,进行了恒星观测实验,分析了下行传输孔径接收下实际接收光强起伏的归一化方差、概率密度和闪烁频谱,并讨论了接收端瞄准偏差对接收光强的影响和星地下行大气信道的传播特性。实验结果表明,在下行传输孔径接收的条件下,天顶角从0°增至55°时接收光强的归一化方差从0.015增到0.102,不同天顶角下的接收光强起伏概率分布均服从对数正态分布,稳定大气条件下闪烁频谱的高频幂指数为-5/3,不稳定大气条件下为-11/3。     

适合于强度调制/直接检测式大气激光通信的空时网格码

空时网格码具有编码增益与频谱利用率高的特点,针对强度调制直接检测(Intensity modulation/direct detection, IM/DD)方式,提出了一种适合于大气激光通信的空时网格编码方案。该方案运用快速傅里叶逆变换(IFFT)的对称性以及加直流分量的方法解决了空时网格编码信号无法直接用于IM/DD链路传输MPSK信号的问题。之后,通过蒙特卡洛方法分析了该方案在不同大气闪烁条件下的误码性能,并对调制阶数和天线数对系统误码性能的影响进行了分析。结果表明:所提方案能够有效抵御大气湍流所产生的闪烁效应,其性能随天线数的增加而得到明显的改善,并且在强湍流条件下表现出了更好的性能。     

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。     

激光大气传输研究若干问题进展

本文主要总结1995年以来，大气光学重点实验室在激光大气传输研究方面取得的一些重要进展：（1）较系统地测量了影响激光大气传输的大气光学参数，积累了一批资料；（2）提出利用双差分吸收激光雷达测量大气臭氧垂直分布以及利用偏振光的散射测量同时决定大气气溶胶的复折射率和谱分布的新方法；（3）证明了有限时间大气相干长度测量值是一个随机量，并推导出其概率密度分布函数的表达式；（4）提出了描述湍流大气中激光光强起伏的概率分布及激光光斑统计特征的方法；（5）在实际大气湍流与模拟大气湍流中，第一次用实验方法得到了自适应光学相位校正效率与大气湍流强度的定量关系；（6）你建立了有一定特色的包括自适应相位校正的强激光大气传输四维数值计算程序，并得到了部分实验验证。     

大气光学湍流廓线探测方法研究进展

激光在大气传输过程中,由于湍流折射率的随机起伏会引起波前畸变、光斑漂移、闪烁等一系列光学湍流效应,因此严重制约了遥感成像系统和激光通信技术的发展.通过分析大气光学湍流对多个领域的影响,指出了探测大气光学湍流廓线的重要意义.要想获取光学湍流的时空分布规律并准确评估光学湍流对光学成像或激光传输系统的影响,就必须对光学湍流进...     

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。     

大气湍流模拟装置性能测试

利用光传输实验的大气湍流模拟装置测量了光传输特性。实验中采用了到达角起伏和光强闪烁两种方法来测试光传输特性。测试结果表明,温差1~200 ℃时,Fried相干长度为0.7~40 cm;温差200℃时,到达角起伏谱频率范围达到100 Hz;光强闪烁强度频率可达100 Hz,湍流特征速度约0.1 m/s,,外尺度约20 cm。湍流模拟装置所测的性能指标和实际大气湍流性能较为接近,并且湍流强度具有较好的稳定性和可控性,能满足光传输实验要求。     

湍流大气中高稳定性全庞加莱球光束模式选择（特邀）

作为新型结构光束的一类,全庞加莱球光束因其横截面上自旋角动量和轨道角动量发生耦合,近年来在自由空间光通信领域内受到广泛关注。然而,传输信道中的大气湍流将产生诸如光束扩展、漂移、光强闪烁等严重影响,进而限制光通信系统性能。结合随机相位屏,对具有“C”型偏振奇点的全庞加莱球光束、“V”型偏振奇点的柱矢量光束和均匀偏振的标量涡旋光束在湍流大气中的传播进行大量的数值模拟。归一化光强相关系数和模式纯度被用于研究杂合庞加莱球表面不同位置处表征的全庞加莱球的稳定性。结果表明,相较于具有相似偏振拓扑荷和光强分布的柱矢量光束以及标量涡旋光束而言,坐标位于南半球的全庞加莱球光束在弱湍流和中湍流(r₀=0.5 m, 0.125 m)下具有较高稳定性。而在强湍流下(r₀=0.056 m),优势区域缩小至2σ∈[?5π/32, 0](纬度坐标)。上述结果将为自由空间远距离通信中传输介质的选取提供重要依据并进一步促进通信质量的提升。     

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。     

关于斜程湍流大气中激光波束闪烁指数研究的综述

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,将水平均匀湍流介质情况下成立的修正Rytov方法扩展到斜程传输问题上,建立了激光高斯波束波从弱湍流区到强湍流区斜程路径考虑湍流内尺度和外尺度的闪烁指数统一模型,在大气结构常数为一定值时可退化到水平传输情况.数值计算分析了1.06μm、1.315μm、3.8μm和10.6μm等典型波长的波束闪烁特性,结果表明波长较短时,内尺度影响较大,且内尺度效应对闪烁的影响要大于外尺度效应,但在强起伏情况下,外尺度的影响也变得较为显著.     

基于回波闪烁效应识别光学目标的方法研究

为获取光学目标更多的特征信息、达到目标识别的目的,文中利用不同目标回波特征受到湍流大气调制作用的差异性,将目标回波的闪烁效应作为目标识别的手段之一。采用功率谱反演法生成随机相位屏模拟双程湍流大气扰动,利用硬边光阑展开为有限级数和的形式以及Collins衍射积分公式推导角反射器、镜头目标和朗伯漫反射体的反射光的复振幅分布,通过原路返回处的光强分布得到反射光的闪烁指数。分析了湍流强度和目标尺寸对上述三种目标回波的闪烁指数的影响,并进行了实验验证。研究结果表明:光学目标与漫反射目标回波的闪烁指数差别明显,整体相差一个数量级,随着口径的增大,光学目标回波闪烁指数整体上呈现减小的趋势;角反射器和镜头目标回波的闪烁指数在数值上差别不明显,但可以通过多组测试结果绘制回波闪烁指数随时间的变化曲线的方法将二者进行大致的区分。该方法可以快速地从漫反射背景中识别出光学目标,同时也为光学目标的分类识别提供了参考价值。     

基于孔径平滑效应的无线光通信接收孔径的设计

基于激光大气湍流传输理论,讨论了光强闪烁对无线光通信接收性能的影响。从孔径平滑效应出发．提出了一种结合信噪比、误码率、孔径平滑3方面来考虑接收孔径尺寸的设计方法。该设计方法克服了传统只考虑孔径平滑效应来设计接收孔径不准确的缺点,从而为设计接收孔径尺寸提供理论依据。用MATLAB对参考文献中的实验数据进行数值模拟,结果表明：在此实验数据下BER〈10^-6时,当SNR0为30dB时,最优接收孔径为4cm,当SMR0为35dB时,最优接收孔径为3cm。     

基于子空间的无线光通信副载波盲均衡算法研究

文中基于Gamma-Gamma光强起伏分布大气湍流信道模型,对无线光副载波相移键控调制系统进行了子空间盲均衡算法的研究。对比分析了经过大气湍流信道盲均衡前后的副载波调制信号星座图聚敛性,给出了均衡后不同光强起伏方差下的误码率曲线,当R2=0.1,信噪比为20 dB时,误码率从4.710-1降低到1.5610-3,均衡后误码率明显改善。同时采用两种典型实测天气数据(阴、中雨)模拟大气信道进行了子空间盲均衡实验,均衡后调制信号星座图聚敛性与相位可识别性明显优于均衡前。仿真结果表明,子空间盲均衡算法对大气湍流信道下的副载波调制信号有良好的均衡效果。