大气中的激光传输的光束漂移问题研究

当激光束在大气中传输时,由于受到湍流大气的影响,其将会偏离预期的位置,此现象称为光束漂移.由于大气湍流的随机性,造成了准确求解激光漂移的难度,基于概率论的相关知识可得到在弱湍流情况下光束漂移的概率密度函数分布服从正态分布,然后利用Markov近似的方法得到的光束漂移的方差来具体分析漂移的问题,并结合具体的实验结果对理论分析进行比较.     

机载激光通信链路的传输信道及性能分析

对于机载激光通信的传输信道,分析了大气信道中的衰减、光强闪烁、光束漂移及气动光学效应等复合效应,并推导了接收光束尺寸、链路中断概率和误码率等传输性能。仿真分析表明：一方面,接收光束尺寸受光束漂移及气动光学效应的影响而增大,且在低空条件下的光束尺寸主要受到大气湍流的影响而导致其大于高空条件的;另一方面,长距离的机载激光通信链路需考虑光束漂移的影响,并可通过优化发射光束大小进行抑制。     

湍流大气中激光通信系统接收光功率的优化研究

以部分相干高斯-谢尔模型(GSM)光束为例,对湍流引起的漂移方差和扩展角进行模拟,综合考虑由光束漂移引起的瞄准误差和光束扩展引起的接收光功率密度的整体下降,对激光通信链路中接收端光功率进行数值计算和分析,找出激光通信系统中最佳发射光束的参数。研究结果表明,湍流大气中激光通信系统最佳发射光束的参数与光束的束腰半径、空间相干长度、波长、传播距离和湍流强度有关。部分相干GSM光束接收端光功率随着波长、光束束腰、空间相干长度和传输距离的变化存在一最优值。     

湍流环境下组阵收发的深空激光通信系统性能

为了探究大气湍流对深空激光通信的影响,从理论上讨论了Gamma-Gamma分布的大气信道模型和抑制大气湍流的手段。建立了基于组阵收发的深空激光通信系统模型,对不同湍流条件下的系统误码率进行仿真。仿真结果表明:在信噪比为20 dB时,弱湍流环境的下行链路通信误码率比强湍流低4个数量级;大气湍流强度增强时,系统的通信误码率增大;在同等湍流强度下,大气湍流对于上行链路通信性能的影响比下行链路更大。     

矢量多高斯-谢尔模型光束在大气湍流中上行链路中的传输特性

为了有效地提高星地激光通信系统的通信性能,从推广的惠更斯-菲涅耳衍射原理出发,系统研究了矢量多高斯-谢尔模型光束在上行链路中的传输特性。研究结果表明,改变光束的横向相干长度能有效地改变其远场光强分布和大气湍流引起的光束展宽。另外,大气湍流会改变矢量多高斯光束的偏振度,但是在远场其偏振度会趋于一个固定值。该研究结果对星地激光通信等有着潜在的应用价值。     

反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的漂移

为了研究部分相干反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的漂移特性,基于各向异性非Kolmogorov大气湍流谱模型,利用几何光学近似与Rytov近似解得到了部分相干反常涡旋光束(PCAVB)在各向异性湍流中传输的光束漂移解析式,并对该漂移解析式进行数值模拟.研究了拓扑荷、相干长度、各向异性因子、折射率结构常数等光束参量及湍流...     

大气激光束漂移的实验研究

为了研究激光束在大气中的漂移情况,对激光束在大气中的传输做了实验研究。采用电荷耦合器件CCD成像技术对光斑的漂移情况进行了测量。对光斑漂移在水平和垂直方向的变化进行了实验研究,并分析了横向风对光束漂移的影响,得到了在不同时刻以及不同传输距离情况下光束漂移情况的实验结果。结果表明,光束随传输距离的增加,垂直和水平方向的漂移量逐渐趋于一致。     

深空微波激光通信一体化技术现状及关键技术

深空飞行平台促进了深空微波激光通信一体化技术的快速发展,但受空间搭载条件的限制,深空飞行平台对通信载荷的集成化和综合化的需求愈加明显。综述了国内外深空微波激光通信一体化技术的发展现状,分析了深空微波激光通信一体化技术涉及的主要关键问题,指出了微波激光通信一体化技术的发展趋势。     

大气激光通信中一种新的光束自动捕获方法

提出了一种适合大气激光通信特点的光束自动捕获系统,详细分析了光束自动捕获系统的工作原理。该方法可以省去专门的光束捕获系统,以角反射器等光学元件作为光束检测器件,用位置检测器件检测光束的偏离程度,对发射/接收系统进行自动调整。这种方法比较简单而切实可行。     

校正激光光束指向漂移的算法研究

为了获得稳定的激光光束,需要对其随机漂移进行校正。以光束传递系统中快速反射镜校正脉冲激光器自身指向漂移的过程为例,采用一种基于移动平均值校正原理的算法,对加载地面抖动前后的校正效果进行了仿真模拟。仿真结果显示,该算法可以使指向漂移经过长距离传输后引入的位置偏移显著降低;校正后的移动平均值相对于校正前的有较大降幅,最优处约降至原来的n-1/2(n为一个窗口内的脉冲数);校正后的移动标准偏差值也明显下降。结果表明,该算法的关键在于提出合适的补偿量,具有实用性,可以实现对激光光束指向漂移的闭环实时校正。     

降雨大气中激光束漂移和到达角起伏研究

本文利用降雨大气中,雨滴与湍流所引起折射率起伏的相互独立性,在雨滴对光束的前向散射近轴条件下,以马尔科夫过程和delta相关条件,讨论了激光束穿过雨屏和湍流大气时,所引起的漂移和光波波阵面到达角起伏的统计特性.给出了它们的理论计算曲线.得出结论为:在降雨大气中,雨滴所引起对激光束的漂移和到达角起伏量均比同时存在的弱湍流影响要大.     

Achievable sum‐rate analysis of correlated two‐antenna MIMO uplink channels

This paper analyzes the achievable sum‐rate of correlated two‐antenna multiple‐input multiple‐output (MIMO) uplink channels. Most of previous works have considered the case when a single user has multiple transmit antennas (i.e. multi‐antenna single‐user scenario). This paper considers the case when two‐antenna MIMO uplink channels comprise two users with a single transmit antenna (i.e. single‐antenna two‐user scenario). The analytic and simulation results show that the achievable sum‐rate of correlated single‐antenna two‐user MIMO uplink channels highly depends on the angle difference between the receive correlation coefficients of two users. It is also shown that the achievable sum‐rate of correlated single‐antenna two‐user MIMO uplink channels is larger than that of correlated two‐antenna single‐user MIMO uplink channels and can even be larger than that of independent and identically distributed Rayleigh two‐antenna MIMO uplink channels. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

深空激光通信系统方案设计和视轴对准技术研究

在深空探测中利用激光进行科学数据的回传是一种极具潜力的方式,美国已经着手开展这方面的研究工作,在国内尚未有任何报道,针对这种情况,以火星对地球深空激光通信为研究对象,在对外部约束条件进行了分析的基础上,提出了通信分系统和捕获、跟踪、瞄准(APT)分系统两大分系统的设计原则,并对系统关键参数进行了详细设计,在此基础上提出了一种基于自然天体成像的捕获和对准概念,作为国内对深空激光通信整体方案的首次初探。     

到达角起伏对上行星地激光通信系统性能的影响

在Kolmogorov湍流模型下,建立了到达角起伏对星地激光通信误码性能影响的理论模型。基于该模型,推导了星地激光通信系统误码率的闭合表达式。综合考虑光强闪烁、光束漂移和到达角起伏,推导出三者共同作用下,星地系统上行链路的接收光强概率密度解析式以及误码率的闭合表达式。文中采用的调试方式是适合星地激光通信的相干探测圆偏振调制。针对上行链路,仿真分析了弱、中、强湍流下,三者共同作用时,星地激光通信系统的误码率,并与不考虑到达角起伏条件下进行了比较。还分析了到达角起伏与误码率的变化关系,以及在考虑发射功率受限的条件下,三者共同作用对系统性能的影响。研究结果表明,除了光强闪烁和光束漂移以外,到达角起伏也是通信性能中不可或缺的因素。     

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.     

激光中继镜系统的上行传输光束整形

激光中继镜技术是近年来备受瞩目的一项新技术,能量耦合效率是中继镜系统的关键因素之一.中继镜系统采用双望远镜结构实现光束上行传输与接收,光束上行传输过程中,由于衍射作用造成中心能量聚集和光斑扩展,且由于接收望远镜次镜的阻挡和主镜接收口径有限,造成系统能量严重损耗.文中建立了双望远镜系统模型,通过控制优化出射光场的相位分布...     

飞机对卫星激光通信上行链路建模与功率分析

针对飞机对卫星激光通信上行链路,对背景光、激光大气传输衰减、接收器的接收效率和光强起伏等影响链路性能的因素进行了理论建模和分析;在此基础上,考虑OOK调制和直接检测并结合APD的Webb-Gaussian模型,建立了链路误码率模型.通过数值仿真,得出误码率与入射到APD上的信号光功率之间的关系;分析发现误码率随信号光功率的增加而下降,并且下降速率与信号光功率近似满足对数线性关系.最后,计算得出了链路误码率达到10-7时,发射端所需的最小出瞳功率为0.873W.     

舰载激光通信中大气对激光远场光强分布的影响

在舰载激光通信系统中,激光远场光强分布对系统通信质量的提高具有重要影响。利用所建立的激光远场光强分布模型和1.06 μm激光大气传输特性,研究了大气能见度对激光远场光强分布的影响。结果表明：在不考虑大气湍流影响的条件下,能见度越高,光强衰减越小;在只考虑大气湍流影响的条件下,传输激光的波长,大气折射率结构常数,对激光远场光强分布具有重要影响。     

Achievable rate region with secrecy constraints for secure communication in two‐way relay networks

In this paper, we consider a two‐way relay network consisted of two sources and multiple relays in the presence of an eavesdropper, where the cooperative beamforming strategy is applied to exploit the cooperative diversity to support the secure communication as illustrated in Figure 1. Naturally, we are interested in the beamforming strategy and power allocation to maximize the achievable sum secrecy rate. However, the corresponding problem is equivalent to solve a product of three correlated generalized Rayleigh quotients problem and difficult to solve in general. Because of the openness of wireless medium, the information rate leakage to the eavesdropper cannot be canceled perfectly. To some extent, ‘almost perfect secrecy’, where the rate leakage to the eavesdropper is limited, is more interesting from the practical point of view. In this case, we concern ourself mainly the achievable rate region for general case where the rate at the eavesdropper is regarded as the measurement of secrecy level. Two beamforming approaches, optimal beamforming and null space beamforming, are applied to investigate the achievable rate region with total power constraint and the rate constraint at the eavesdropper, which can be obtained by solving a sequence of the weighted sum inverse‐signal‐to‐noise‐ratio minimization (WSISM) problem. Because of the non‐convexity of WSISM problem, an alternating iteration algorithm is proposed to optimize the relay beamforming vector and two sources' transmit power, where two subproblems need to be solved in each iteration. Meanwhile, we provide the convergence analysis of proposed algorithm. Through the numerical simulations, we verify the effectiveness of proposed algorithm. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.