Evaluation of light beams for short and medium range wireless communications

Technological improvements in free space optical communication systems have reduced the cost and alternatives to fiber optic transmission. The advantages of the free space optical link over fiber optic cabling are primarily economic. In line with the demand for gigabyte link from 10 Mbit/s to 10 Gbit/s in the market, the uses of free space optical communication systems have increased exponentially from 1995 to 2008. However, free space optics is subject to atmospheric effects such as attenuation and scintillation which can reduce link availability and may introduce errors not seen in fiber transmission. In this paper we argue that optical wireless communication is an alternative to fiber optic transmission in short and medium range wireless communications and we discuss that the liability and availability of the free space optical link is mainly determined by the local atmospheric condition, this is to say that the transmission quality may be affected by weather conditions. For the evaluation we constructed an experimental communication network with a free space system. One way to characterize the strength of the turbulence fluctuation is by examining the Rytov variance for a plane wave. This Rytov variance physically represents the intensity fluctuation induced by atmospheric turbulence.     

湍流大气中光波闪烁的计算及实验测量比较

采用修正Rytov方法和近似理论计算了球面波在湍流大气中传播的闪烁指数,并与实验结果进行了比较,发现在弱起伏和中等湍流起伏区修正Rytov解与实验结果符合得良好,而在饱和区采用考虑内尺度效应下的近似理论结果更符合实验结果。     

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.     

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。     

湍流大气中高斯波束地-空传播闪烁研究

根据光波波束传播理论及ITU-RC2n模型,应用在强起伏下引入空间滤波函数的修正Rytov方法,在零内尺度湍流谱模型下,得到了从弱到强起伏下的高斯波束激光在水平和地-空路径上闪烁指数随Rytov方差变化的模型.通过理论分析,该地-空路径传播的闪烁模型在一定条件下能退化到水平视距传播闪烁模型,也能分别退化到已有的平面和球面波的地-空和水平视距传播的闪烁模型.并通过数值分析,结果和理论分析结果一致.最后还讨论了闪烁指数随波束宽度和路径天顶角的变化情况.     

大气湍流中受限高斯光束的轴向光强分布

利用扩展Huygens-Fresnel原理分析了大气湍流中圆形孔径限制下高斯光束的传播特性,得到了轴上平均光强的解析表达式,运用数值模拟方法计算了不同湍流强度、孔径大小和波长下的轴上平均光强.结果表明,轴上平均光强在近场发生振荡,其振荡幅度随湍流强度增强和发射孔径的增大而降低,振荡的周期随传播距离的增大而增加;在远场随传播距离的增大,振荡逐渐消失,平均光强平滑下降,最后一个平均光强极大值的位置与湍流强度和波长成反比,与发射孔径成正比.     

大气弱湍流信道下松弛极化码译码方法

针对自由空间光通信中存在的大气湍流降低通信系统误码性能的问题,提出了基于松弛极化码的分段式极化码-循环冗余校验-串行抵消列表(PC-CRC-SCL)译码方法,并将其用于自由空间光通信系统中,在大气弱湍流强度下进行了仿真分析.仿真结果表明:与完全极化码的分段式CRC-SCL译码方法相比,在误码率为10-4时,基于松弛极化...     

湍流大气传输光束的孔径平均到达角起伏

采用Rytov近似、包含湍流内外尺度影响的近似修正von Karmam谱和传输权重函数中的Airy函数的高斯函数近似,给出了平面波通过湍流大气圆孔接收孔径平均到达角方差解析关系。     

Heterodyne measurements of light propagation through atmospheric turbulence

Experiments on the phase perturbation of optical beams due to atmospheric turbulence were carried out using coherent radiation at 6328 Å, and 1.15 µ. The measurements were accomplished using a modulated interferometer to produce Doppler beats between a reference beam and one reflected from a plane mirror at a distance. This paper presents preliminary results of the phase measurements taken over total horizontal paths of 4.0 km and 23.8 km. The experimental data were consistent with a propagation theory based on the accepted model of atmospheric turbulence. Perturbation free apertures up to 10 cm were observed in good seeing conditions and as low as 1 mm under poor conditions. The corresponding variance of refractive index of the atmosphere showed a magnitude and diurnal variation consistent with published observations of temperature fluctuations.     

部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中的平均强度与展宽

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,交叉密度函数以及Rytov’s相位结构函数二次近似,利用傅里叶高斯变换推导出部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中的强度分布表达式,并在此基础上分析了大气湍流对角展宽、桶中功率以及光束漂移的影响。数值结果表明：角展宽和光束漂移与光束的初始半径、光源的相干长度有关;远场能量集中度随湍流强度增加、光源相干宽度减小而减小。     

斜程湍流大气光通信信道的单光子轨道角动量

研究了基于单光子轨道角动量技术的量子光通信系统的大气湍流效应,动用Rytov近似和修正von Kamm折射率起伏谱,建立了单光子轨道角动量斜程湍流大气通信信道中轨道角动量l的测量概率理论模型。本文同时给出了量子信道的单光子轨道角动量平均值l=〈l〉的计算关系。     

舰船激光通信中大气湍流对系统误比特率的影响

为了研究舰船激光通信系统中采用多光束发射与接收技术时,大气湍流对系统误比特率造成的影响,采用了对激光在大气湍流场中的传输方程进行解析求解的方法,忽略系统中其它噪声,仅考虑由大气湍流引起的系统误比特率,得到了在不同发射天线数目和相关系数条件下,传输距离、大气信道间距、对数振幅方差和系统误比特率的关系.结果表明,在弱起伏条件下,随着发射天线数目的增多或相关系数的减小,系统误比特率减少很快;湍流强度增大,系统误比特率增加;传输激光波长增大,系统误比特率降低;当发射天线数目一定时,随着大气信道间距变大,系统误比特率降低.     

高铁无线光通信技术研究现状

针对传统高铁通信系统中用户通信频繁中断和轨道安全等问题,介绍了无线光通信技术在高铁通信中的应用,主要围绕高铁无线光小区切换、光跟瞄、光轨道监测和光通信实验这4种技术,分析了高铁无线光通信信道模型,包括湍流、雨天和雾天信道模型.最后展望了高铁无线光通信技术的研究方向.     

非视线大气散射传输仿真研究

利用非视线单次散射激光大气传输模型分析了工作在日盲紫外光谱区的激光散射通信系统接收机、发射机的收发视场、俯仰角以及传输距离等几何参数对系统路径传输损耗的影响。计算结果表明,发射机的视场变化对路径传输损耗几乎没有影响,接收机视场的大小对系统性能的影响很大,在发射激光功率不变的情况下,增大接收机的视场可以显著地提高接收机的信号强度,减少系统的路径传输损耗,但在实际应用中受到一定的限制。发射机的仰角变化对系统的影响较大,而接收机的仰角变化对系统的影响相对较小。     

Gamma-gamma大气湍流下自由空间光通信的性能

自由空间光通信在各种应用中得到了广泛关注,但大气湍流效应导致系统链路性能恶化.假设大气湍流信道是无记忆平稳遍历并且为加性高斯白噪声(AWGN),自由空间光通信系统采用开关键控(OOK)强度调制直接检测(ID/DD),研究了gamma-gamma大气湍流信道下自由空间光通信的性能.利用MeijerG函数推导出了自由空间光...     

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...     

背景光及大气湍流对空地激光通信接收光斑产生的影响

为了研究在不同背景光及弱湍流条件下的空地激光传输特性,同时为空地激光通信链路总体方案设计提供相应的实验数据,进行了背景光及大气湍流影响空地激光通信系统接收光斑的实验研究,同时提出了在空地激光通信系统中有效抑制背景光及大气湍流效应影响的措施。     

斜程大气传输光束孔径平滑到达角与像点起伏

像面到达角起伏、波面抖动和像点抖动通常是研究大气干扰情况下高分辨成像系统波前特性的重要方法之一。采用Rytov近似、包含湍流内外尺度影响的修正von Karmam近似谱和接收光学系统孔径滤波函数和传输权重函数中的Airy函数的高斯函数近似,研究了斜程湍流大气中传输束状波的波面抖动、像面到达角起伏和像点抖动规律,导出了圆孔接收系统测量到的包含湍流内外尺度影响的束状波孔径平滑波面抖动、像点抖动和像面到达角方差理论模型。     

高空湍流影响下航空激光传输性能分析

采用“Clear 1”折射率起伏湍流模型对高空大气湍流进行描述,通过仿真建立了高空湍流信道气动光学效应影响模型,分析了光斑尺寸与飞行高度、激光波长、传输距离的关系;研究了gamma-gamma大气湍流信道下光强闪烁因子随接收孔径尺寸、飞行参数的变化特征。结果表明:①光斑尺寸受气动光学影响而增大,低空传输条件下光斑尺寸大于高空;②光斑尺寸随波长增加而增大;在相同条件下,波长为800 nm激光的光斑尺寸受气动光学影响最大;③闪烁指数仅与接收孔径大小有关,并随着传输距离的增大而逐渐增加,当闪烁指数超过1,其增加幅度降低并逐渐达到最大值。     

海洋大气湍流对海军光电装备性能的影响

依据观测数据给出沿海地区低层大气湍流的季节及日变化特征,以误码率、角跟踪精度以及调制传递函数和分辨率等作为衡量包括光通信设备、光电探测设备以及光电跟踪系统在海洋大气湍流环境下的性能指标,在局地均匀、各向同性Kolmogolov湍流谱以及Rytov近似假设的条件下进行了分析.结果表明:以误码率指标衡量,光通信系统的有效作用距离大大缩短;在中等湍流强度下,光电成像探测设备的湍流受限MTF及分辨率与系统的衍射受限MTF及分辨率相比存在着显著的差异,海洋大气湍流对短波、中波红外成像设备的影响已经大于衍射受限的影响,而对于长波的影响并不显著;在中等湍流强度下,相位起伏引起的角跟踪误差将从几微弧度上升到二十几微弧度.