湍流环境中光纤耦合效率的提高

在空间激光通信应用中,空间光与单模光纤的耦合效率是影响通信系统性能的重要因素。考虑大气湍流会降低激光与光纤的耦合效率,本文从湍流强度与光学系统分辨率之间的关系出发,研究了大气湍流对光纤耦合效率的影响,导出了接收口径、系统焦距、入射光波长、接收光纤半径、大气相干长度等与单模光纤耦合效率之间的关系。提出了两种在湍流环境中提高光纤耦合效率的方法。方法一是在外界湍流强度发生变化时,通过改变耦合系统焦距,使耦合效率保持在较高值;方法二则是采用锥状光纤接收来提高耦合效率。最后对提出的方法进行了分析、仿真和室外耦合效率测试,验证了所提出的改善耦合效率方法的有效性。     

自适应光学技术在通信波段对大气湍流的校正

针对大气湍流引起的激光光强、相位和传输方向的随机变化对大气激光通信质量的影响,开展了用自适应光学(AO)技术校正大气湍流影响的研究。定量分析了自适应光学技术在通信波段校正大气湍流的效果。利用中国科学院光电技术研究所研制的安装在云南丽江高美谷观测站的1.8m望远镜和127单元AO系统,在1 550nm通信波段对不同高度角的恒星进行了大气湍流校正实验。通过采集校正后的恒星图像,分析了校正后的斯特勒尔比,同时记录下当时的大气相干长度,由此得到了在不同大气湍流条件下的校正效果。实验表明,当大气湍流强度D/r0(1 550nm)小于6.5时,校正后的波面RMS值可以小于1rad,即在中弱大气湍流条件下,该AO系统可以有效地对大气湍流进行校正。     

机载激光通信中气动光学的影响及补偿

为了抑制机载激光通信中大气附面层引起的散斑现象,开展了气动光学效应及相应补偿方法的研究。从理论上分析了气动光学效应对光传输的影响;根据试验飞机型号和设备安装位置,对光学窗口形状、厚度等参数进行了优化设计,并对窗口变形和空气流场分布进行了仿真分析,完成了光学窗口改造。最后,根据试验中大气附面层引起的接收光斑离焦现象,进行了光学仿真,研制了3种焦距的补偿镜。在飞行距离为10~140km,飞行高度为1 500~4 500m条件下进行了飞行试验,对不同补偿镜的补偿效果进行了分析。结果显示,在接收光路中增加焦距为5.5×105 m的凸透镜后,接收光斑离焦现象得到了抑制,接收光功率闪烁方差减小了1/3,表明经过补偿后的光学窗口可有效抑制大气附面层对激光通信的的影响。     

轴上光强恒定的超高斯贝塞尔光束在湍流大气中的传播

理想的非衍射光束的产生,因需要无穷大的能量,在物理上是不能实现的。实验只能得到比较接近理想非衍射光束的有限能量的准非衍射光束。超高斯贝塞尔（SGB）光束具有有限的能量,是物理上可以实现的准无衍射光束。轴上光强恒定的SGB光束在一定的距离范围内具有很好的无衍射特点,其横向光强分布的中心区域保持恒定的强度和大小。本文通过数值模拟的方法证实：在湍流大气中,在中等湍流强度范围内,轴上光强恒定的SGB光束仍然保持其无衍射特点。在中等湍流强度范围内,轴上光强恒定的SGB光束的传输几乎不受大气湍流的影响。     

远场光束扩展对光斑瞄准偏差影响的实验

在远场大气环境下的激光瞄准过程中,大气湍流效应会造成光束的漂移和扩展,从而影响激光器的瞄准精度。本文基于修正的VonKarman湍流谱和部分相干光在湍流大气中的传输理论,设计了高斯光波经过大气湍流后的光场模拟软件,并在一定气象条件下,通过一种激光光轴瞄准偏差测试系统进行外场实验。该测试系统光束直径≤9mm,接收部分为120mm大口径光学镜头。研究了3km范围内强湍流条件下光束的传输特性;结合实验数据,分析了在湍流大气中远场光传播时波束扩展对激光瞄准精度的影响。基于文中研究结果设计的瞄准偏差补偿方案可提高系统在大气能见度10km范围内的瞄准精度。在激光传输距离3km,斜程仰角为0~45°时,激光光斑偏移计算误差≤0.1mrad。     

多用户协作分集方案研究

多用户协作分集是一种在无需基础控制设施的无线传输环境中获得类似多天线传输性能的分布式多天线技术。由于其能够提高频谱、时间、空间的有效复用。改善网络覆盖性能,多用户协作分集将对未来无线通信发展产生重大的影响。本文从协作用户中转方式的角度。介绍了协作分集的由来、特征和关键技术,并对部分研究成果作了进一步探讨。     

一种基于局部图像复原的天文图像增强算法

大气湍流、光子和电子噪声等降低了地基观测天文图像的质量,影响了空间目标的检测,针对这种情况,提出一种基于局部图像复原的天文图像增强算法。首先利用已知的观测设备系统参数和图像建立初始点扩散函数的模型,然后将图像分割成N×N个区域,对满足条件的子区域进行基于盲反卷积的图像复原,最后采用改进的中值滤波器对复原图像进行去噪,实现天文图像的增强。采用实际天文图像进行算法验证,实验结果表明,该算法有效的抑制了大气湍流和噪声的影响,提高了图像的分辨率和空间目标背景的对比度,在保证图像增强效果的前提下减少了大约30%的运算量。     

基于投影光瞳分布的星地激光通信波前探测

为了解决星地自由空间光学通信系统中的提前角问题,采用了一种基于光强传输的新型波前探测技术——投影光瞳面分布（Projected Pupil Plane Pattern,PPPP）,并通过实验室实验验证了该技术的可行性。PPPP基于TIE光强传输公式,根据不同传输距离下光强分布的变化反解出大气湍流引起的波前畸变。由于PPPP采用的是上行通信激光本身的后向瑞利散射,其测量的大气湍流方向与通信卫星方向一致,因此可以有效解决星地激光通信中的提前角问题。实验模拟了1 m口径的地基望远镜作为上行激光发射装置和后向散射光斑成像设备,通过等效高度分别为10 km和17 km的上行激光后向散射光斑图像来实现对10 km以下大气湍流的波前探测。实验采用的波前畸变模拟装置包括空间光调制器和透明塑料片,实验结果表明,对不同的波前畸变PPPP和通用的夏克-哈特曼波前探测器可以实现相似的波前重构,两者重构相位的残差约为初始相位的30%。     

湍流大气中的激光传输仿真研究

采用傅里叶变换思想,使用不同角频率正弦函数旋转叠加的方法生成不同湍流尺度的相位屏,对符合Kolmogorov谱的大气随机相位屏进行了仿真模拟,并模拟出高斯光束经过大、小尺度湍流后的传输截面及在接收面上的光场分布情况,通过分析对比,与理论结果有很好的一致性,对进一步进行激光大气湍流效应的研究具有重要意义.     

空时分组码MC-CDMA系统中的多用户检测器

本文研究了空时分组码MC-CDMA系统中的多用户检测器,提出了一种适合下行链路的接收机.该方法可以在克服信道衰落的同时抑制多址干扰,在下行链路的接收方只需进行简单解码和多用户检测就可以获得同采用多天线接收相同的效果.由于采用发射分集,已将多天线接收的负担由移动方转移到了基站方;同时采用级联处理,计算量小.仿真结果也证明了该方法的有效性.