新型部分相干光束及其在湍流大氣中的傳輸特性研究.pdf

1、隨著信息技術的不斷發(fā)展,數據信息量日益增加,數據傳輸需求帶寬也不斷增加。自由空間光通信能提供高帶寬遠距離的無線通信鏈路,在最后一公里接入和星地通信等領域有著廣泛的應用前景。然而由于大氣湍流引起的光強閃爍、相位波動、光束擴展和光束漂移等效應嚴重降低自由空間光通信鏈路性能。
　　本論文針對長距離、高傳輸速率的空間光通信,從光源的相干性和大氣湍流相干尺度出發(fā),研究克服大氣強湍流復雜效應的新理論和新方法。針對大氣湍流引起的光強閃爍和波幅畸

2、變,提出并研究基于部分相干艾里激光束的自適應發(fā)射光學大氣湍流抑制技術;針對大氣強湍流的非線性和非均勻效應,提出并研究基于部分相干光束陣列的MIMO空間分集大氣湍流補償技術。探索湍流大氣和部分相干多光場相互作用的統計規(guī)律,分析新型部分相干光束在大氣隨機介質中的傳輸特性和通信系統性能影響規(guī)律。概括全文的研究成果和貢獻,有如下幾個方面:
　　(1)采用非Kolmogorov折射率譜和基于空間濾波函數的擴展Rytov近似法,考慮了傳輸光波

3、的空間相干性衰減,建立了高斯光束在非Kolmogorov強大氣湍流傳輸的閃爍指數模型。系統分析了功率譜冪指數、折射率結構常數、傳輸距離、相位曲率半徑、光束寬度和波長對強大氣湍流中高斯光束閃爍系數的影響規(guī)律。采用PAMELA折射率結構常數模型和Gamma-Gamma光強起伏概率密度分布,分析了高斯光束在非Kolmogorov強湍流傳輸時風速對自由空間光通信的閃爍指數、平均信噪比和平均誤碼率性能影響。該理論模型可預測評估

4、惡劣天氣條件下遠距離自由空間光通信系統性能。
　　(2)實驗研究高斯光束在大氣湍流介質中的傳輸特性。設計大氣湍流發(fā)生器,構建大氣湍流模擬實驗仿真平臺,評估湍流介質折射率結構常數,實驗測量高斯光束在大氣湍流傳輸的強度起伏和頻譜起伏特性,為探索有效抑制大氣湍流效應的技術提供實驗平臺。
　　(3)理論研究部分相干艾里激光束的大氣湍流傳輸特性,建立部分相干艾里光及其在湍流大氣傳輸的數理統計模型,理論分析部分相干艾里激光束經湍流大氣作

5、用后的光強統計分布和演化特性。
　　(4)實驗研究部分相干艾里激光束的合成產生及其傳輸特性。利用空間光調制器設計合成新型部分相干艾里激光的發(fā)射光束處理系統,研究部分相干艾里光束在自由空間、湍流介質和散射介質中傳輸特性,優(yōu)化調整能抑制大氣湍流波幅畸變和閃爍效應的合成光束參數。
　　(5)設計了一種基于魚眼透鏡的寬視場光學天線。寬視場光學天線由魚眼透鏡組、補償透鏡和離軸非球面折反射式望遠鏡構成,同時引入了由初級對準反射鏡和次級跟

6、蹤反射鏡構成的兩級跟蹤機構。評估了寬視場光學天線在不同視場角條件下的光學性能。寬視場光學天線能夠為自由空間光通信系統提供60度的視場角擴大跟蹤范圍,同時又能校正光學像差提高跟蹤精度。
　　(6)研究基于大視場光學天線的MIMO空間光通信技術。對于高斯光束在非Kolmogorov強湍流傳輸,分析了在不同發(fā)射/接收孔徑數目下MIMO空間光通信誤碼率特性。通過優(yōu)化空間相干長度和接收孔徑空間間距,可以明顯提高MIMO空間光通信系統在強大氣