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大气光通信中大气湍流影响抑制技术研究进展

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空间光通信中的湍流抑制技术研究

空间光通信中的湍流抑制技术研究

空间光通信中的湍流抑制技术研究
自由空间光通信(Free Space Optics,FSO)是目前发展迅速的一种新型通信方式,在卫星通信、地面通信、军事方面都有广泛的应用。

折射率不稳定造成的大气湍流效应对自由空间光通信系统的性能有着严重的影响,是FSO系统中一个重要的问题。

本文主要针对空间光通信系统中的两种湍流抑制技术——自适应光学技术和部分相干光技术进行了研究,主要工作内容如下:1、对空间光通信系统中的大气湍流抑制方法进行了调研和综述,包括:孔径平均技术、分集技术、透镜改进技术、自适应光学技术、部分相干光技术等。

2、研究了激光在湍流大气中传输的基本理论,利用分步傅里叶方法和谱反演法对激光在大气中的传输进行了数值仿真。

研究了基于Fresnel缩放理论的实验室内长距离传输模拟方法。

3、完成了基于SPGD算法的非波前探测自适应光学大气湍流抑制实验,研究了非波前探测自适应光学技术对光纤耦合效率的提升作用。

实验结果表明,不同湍流强度下,校正后的光纤耦合效率能提升2.7～9dB不等,同时校正后的光纤耦合效率更集中。

4、研究了部分相干光技术。

对伪部分相干高斯谢尔模光束在湍流大气中的传输进行仿真分析。

仿真结果表明,部分相干光技术在长距离或强湍流情况下能有效降低闪烁系数,相干长度越小,湍流抑制能力越强。

当湍流强度Cn2=1×10-13m2/3,传输距离为2.5km时,相对于完全相干光,部分相干高斯谢尔模光束能将闪烁系数从2.8降低到2.2。

光在湍流大气中的传播综述

光在湍流大气中的传播综述

谢谢！
3. 3 激光束的扩展
湍流大气中传播的激光光斑在时刻漂移着， 如果我们长时间观测（或观察光斑的长曝 光照片），因光斑漂移引起的累加效果会 形成比瞬时光斑（短曝光光斑）大得多的 弥散斑，这通常称为长时扩展. 而湍流大气 的影响也会使激光束的瞬时光斑扩大，通 常称为短时扩展.
四 结论
大气中的湍流对激光束的影响占突出地位, 重点介绍瑞流作用下的激光的三种物理现 象即强度起伏(大气闪烁),光束漂移和扩展。 实现激光在大气中的更好应用，这些问题 是急需解决的
2.2 大气闪烁
光束强度在时间和空间上随机起伏，光强忽大忽 小，即所谓光束强度闪烁。大气闪烁就是由湍流 漩涡引起的
大气闪烁的幅度特性 由接收平面上某点光强I的 对数强度方差来表征
I2 [ln(I / I 0 )]2 4[ln(A/ A0 )]2 4 2
2 2 式中， 可通过理论计算求得，而 I 则可由
三. 激光在大气端流中的传播
激光是20 世纪最伟大的发明之一. 激光的高相 干度、高亮度、强方向性是普通光源无法比拟 的优点，它在各个学科与技术领域的应用无所 不在、与日俱增. 但当激光在大气中长距离传 播时，由于大气的影响，相干度、亮度会下降， 光束会发散、抖动，当然还有许多物理上的性 质要改变，激光的优点被大大消蚀. 因此， 要 充分发挥激光的优势，必须了解大气湍流对激 光的影响.
2.4 湍流大气中的光传播现象
当光在湍流大气中传播时，大气湍流造成的折射率的起 伏导致激光波阵面的畸变，破坏了光的相干性. 而相干性 的退化将严重削弱光的光学质量，引起光线的随机漂移、 光能量在湍流大气中的传播光束截面上的重新分布（畸 变、展宽、破碎等）、光实际传播路径长度的起伏、一 定接收面积上光强起伏等.

大气湍流下无线光通信信道性能研究

大气湍流下无线光通信信道性能研究

伏强度大小 ， 一般采用下式估算光强度起伏［］ ４ 为
一
１２Ｃｋ／ ｕ ． ３ ￣ ６ ／ Ｌ
（） １
式 中： 一 ２ 为波数 ； ｋ 丌 Ｌ为系统传输距离； 为大 气折射率结构常数 ， 其值与信号传输高度和大气风 速相 关 ， 般用 Ｈｕｎｇ ｌ Ｖａｌｙ模型 表示 ［］ 一 ｆａｅ— ｌ ｅ ４ 为
第 ３ 卷第 ５ １ 期 ２１ 年 １ ０１ Ｏ月
西
安
工
业
大
学
学
报
Ｖｏ． １Ｎｏ ５ １３ ． Ｏｃ． ０ １ ｔ２ １
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｉａ ｃ ｎ ｌ ｉ ｌ ｉ ｒｉ ｏ ｒ ａ ｏ ’ ｎＴｅ ｈ ｏｏ ｃ ｖ ｓ ｙ Ｘ ｇ ａ Ｕｎ ｅ ｔ
文章编 号 ： １ ７ —９ ５ ２ １ ） ５４ ３０ ６ ３９ ６ （０ １ ０ —１ —５
闪烁 ． 对于 通信 速率 ， 气 湍流 引 起 的光 信 号 衰 相 大
大气 湍流 下 无 线光 通 信 信 道性 能研 究
黄根 全
（ 北方雷 达电子科 技集团有限公 司， 安 ７Ｏ Ｏ ） 西 １ １０
摘Hale Waihona Puke 要 ： 无线光通信 中大气湍流导致光信号在传输 中产生光强起伏等现 象， 其影响成为无线
光通 信普及 的一 大障碍 ． 于 大 气湍流 不 同光 强起 伏信 道 模 型 ， 别建 立 了弱 、 基 分 中及 强 湍 流信
关 键 词 ： 无 线光通 信 ； 流信道 模 型 ； 湍 中断概 率 ； 信道 容量
中 图号 ： Ｔ ２ ． Ｎ９ ９ １ 文 献标 志码 ： Ａ
无 线光 通信 具 有 大 带 宽 、 干 扰 能 力 强 、 密 抗 保

光通信系统中的串扰抑制技术研究

光通信系统中的串扰抑制技术研究

光通信系统中的串扰抑制技术研究摘要：光通信系统作为现代通信领域中的重要组成部分，其可靠性和性能成为研究的重点。

然而，光通信系统中存在的光纤串扰问题会限制系统的传输质量和传输距离。

因此，研究和应用串扰抑制技术对于光通信系统的发展至关重要。

本文主要讨论了光通信系统中的串扰抑制技术的研究现状、问题和未来发展方向。

第1节引言光通信系统是一种利用光纤作为传输介质的通信系统，具有大带宽、低衰减、抗电磁干扰等优点。

然而，由于光纤内的光信号在传输过程中会产生串扰现象，使得信号的质量和传输距离受到限制。

因此，如何有效抑制光通信系统中的串扰，成为了研究的焦点。

第2节光纤串扰的原理及分类光纤串扰是由于光纤结构中的各种因素导致的光信号之间的相互影响。

根据影响的类型，光纤串扰可以分为线性串扰和非线性串扰。

线性串扰包括色散补偿、光相位噪声和光强噪声等效应；非线性串扰包括光强调制导致的广义自相位调制和自相位调制导致的非线性相位噪声。

第3节光通信系统中的串扰抑制技术为了抑制光通信系统中的串扰，研究人员提出了多种串扰抑制技术。

其中，两种主要的串扰抑制技术分别是光纤传感和串扰均衡。

光纤传感是利用光纤中的传感机制来实现串扰的抑制，如利用布拉格光纤光栅实现串扰抑制、利用全光纤环实现串扰抑制等。

串扰均衡是通过在接收端引入反转串扰信号来抵消串扰的影响，如采用数字信号处理技术实现串扰均衡、使用光纤光学时钟实现串扰均衡等。

第4节光通信系统中串扰抑制技术的问题和挑战尽管已经提出了多种串扰抑制技术，但在实际应用中仍然存在一些问题和挑战。

首先，串扰抑制技术的复杂性和成本是一个重要问题，需要在保证性能的同时考虑成本因素。

其次，光纤传感技术在长距离和高速传输中的应用仍然面临一些挑战，如温度和压力的影响等。

此外，非线性串扰问题在高速传输系统中也是一个难点，需要进一步研究和解决。

第5节光通信系统中串扰抑制技术的发展趋势针对光通信系统中的串扰抑制技术问题和挑战，未来的研究和发展趋势主要包括以下几个方面。

浅议大气湍流对无线光通信系统的影响

浅议大气湍流对无线光通信系统的影响
浅议大气 湍流对 无线光通信 系统的影响
董康 军 ， 郭立新 马保科 （ 西 电 科 学 ２ 南 学 ） １ 安 子 技大 ； 渭 师范 院 ． ．
摘要： 当激 光 波 束通 过 大气 湍 流 时 ， 大气 湍 流 效 应造 成 了 光束 漂
移 、 度 起 伏 ， 束 扩 展 和 像 点 抖 动 等 现 象 ， 致 相 干 性 退 化 削 弱 激 强 光 导 光 通 信 的质 量 ， 而 破 坏 了激 光 的相 干 性 。 从 文章 介 绍 了大 气 湍流 的形 成 及 基 本 特 性 ， 强 度 起伏 、 束 漂移 及扩 展 与 到 达 角 起伏 进 行 了 分 对 光 线 光 通 信 的 发展 具 有 十 分 重 要 的 实 际 意 义。
起 伏
Ｃ ＜Ｔ 一 （ ｒ ｒ国 ｌ ＜＜ Ｌ ； 【 ）Ｔ ＞一 ０ ｒ ＜ ｏ （ ＋ ） 】 ＜
２ 大气湍流对光通信 系统传输 的影响
（） ２
激 光 束通 过 有 湍流 的大气 传 输 时 ， 强 度 、 位 和 传 其 相
析 ， 通 过 研 究 分析 穿 过 大气 湍流 后 激 光 波 束 的 变化 特 征 ， 会 对 无 输 方 向会 受到扰 动 而 出现相 应 的随机 变化 并 将 对 大小相 关。大气湍 流效 应造 成 了 关键 词 ：大 气 湍 流 光 束 漂 移 光 束 扩展 强 度起 伏 到达 角 光束漂 移 、 强度 起伏 ， 束扩 展和 像点 抖 动等 现象 ， 而破 光 从
坏 了激 光 的相 干 性 ，导 致相 干性 退 化削 弱激 光通 信 的质 自激光 问世 以来 ， 有 保密 性好 ， 干扰 能力 强 ， 具 抗 信息 量。 容 量 大 ， 输率 高 ， 传 系统尺 寸小 ， 重量 轻 ， 造 和维 护 经 费 建 ２１ 光束 漂移和 扩 展 ． 低 ， 需频率 许可 证等优 点 。 无 在通 信 、 雷达 、 测距 、 感 和检 遥 由于 太气 湍流 的 干扰 ， 当波 束在 湍 流大 气 中传 播 时 ， 测 等 方面 的大 量 应 用有 力地 促 进 了无 线光 通 信 等 方面 的 有限束宽激光在湍流 大气中传输时光束会 出现扩展和漂 研 究。 移。 当观 察 时间很 短 时 ， 这两 种效 应基 本上 是独 立 的。 当观 同时 ， 激光 特 有的 高强度 、 单 色性 、 高 高相 干性 和 高 方 察 时 间较 长 时 ，扩 展 了 的光束 实际 上包 括 了漂移 的影 响， 向性 诸 多特 性 ， 它成 为空 间通信 最 理 想 的载 体 ， 为 它 使 因 称 为长期 扩展 ， 以 当谈 到湍流 大 气 中传 输 光束 扩展 时我 所 增 益更 高 、 速度 更 快、 干扰 性更 强和 保 密性 更好 ， 抗 同时容 们 要 区分短 期和 长期 光束 扩展。 常称 ＜Ｐ ＞为短期 平均 通 量 更大 、 束 更窄。 然 而 ， 许 多使用 激 光工作 的系统 ， 波 在 其 光斑 半径 ， ＜ｐＬ ＞为长期平 均 光斑 半径 ， ＜ｐ ＞为平均 束漂 性 能会 受 到大 气 的影 响 ， 光 的传输 介质 包含 了长距 离 的 激 移 量 ， 者 的 关 系表 示 为 ： ＜ｐｓ ＜Ｐ。 “ 期 ” 三 ＜ｐ ＞ ２ 短 ＞ 和 大气 ， 自由空 间光 通信 、 光 雷达 、 光 测距 等 ， 中湍 如 激 激 其 “ 长期 ” 的时间 判据是 △ｔ Ｄｖ ＝ ／。Ｄ是光 的直 径 ， 横 向风 Ｖ是 流 效应 是对 激光 大气传 输影 响最 大 的因素 之一。由于 大气 速。当观察 时间远 小于 △ｔ时 ， 则得 短期观 察效 果 ， 当观 而 湍 流 引入 的相 位 扰动 ，光 束会 产 生展 宽和 漂 移 ，光场 的 察 时间远 大于 △ｔ时 ，则 得 长期 观察 效 果。 △ｔ 的量 级在 时 ～空相 干性 受到 干扰 甚至 破坏 ；由于 大气 湍流 的 存在 ， ００ ．５秒 左右 。 通常 情况 下大气 湍流造 成 的光 束扩展 可 以 比 当激 光 穿过 其 中 时 ， 产生 闪烁 现 象 ， 会 光场 强 度 分 布 也会 光束 自身 的衍射 极 限大到 ２到 ３个 数 量级 ， 从而 使通 过 随 发 生起伏 ， 大气 折射 率 会发 生微 小 的起伏 。 这些 效应 会 削 机 大气传 输 的激光 光强 降低。 输 光束 的漂移和 扩 展现 象 传 弱光束 质量 ， 本文具 体 分析 了随 机 大气信 道 湍流 效应 的各 体 现 了对 传 输 光束 成 像 的所 形 成接 收光斑 的 空 间位 置 的 种 影 响 因素 ， 避免 影 响 自由空 间 光通 信 系统 、 光 雷达 为 激 时 间变化 情况 。它比较 全面 的反 映 了湍 流对 光传 输 的影 响 系统 、 光 测距 系统 的性 能 ， 出 了一 些具 有 实 用 价值 的 激 提 建 议 ， 会 对提 高大气 光学 系统 的性 能有 实际 的意 义。 将 ２２ 强 度起伏 和 大气 闪烁 ＿ １ 大气 湍流 效应 激 光 通信 在湍 流 大 气 中传 输 时 由于 折 射 率 的起 伏 使 大 气温 度 的随机 变化 引起大 气 密度 的 随机 变化 ， 类 人 其散 射强 度 会发 生起伏 ， 出现所 谓 的 闪烁 现 象。 大气 闪 即 活 动和 太 阳辐 照等 因素 将 引起 大气 微小 温度 的随机 变化 ， 烁效 应 实际 上就 是通 常 情况 下 ， 当光 束直 径 比湍流尺 度 大 从 而形 成 大气 的湍 流 ， 它是 大气 折 射率 导 致 的随机 变化 。 很 多 时 ， 束 截面 内 包含 多个 湍流 旋 涡 ， 个旋 涡各 自对 光 每 这 些 变化 使湍 流 大气 中传输 光 束 的波前 也将 作 随机 起伏 ， 照 射其上 的那 部 分 光束独 立散 射和 衍 射 ， 使光 束 的强度 和 它们 的变化 的累积 效应 导致 折 射率 轮廓 的 明显 不均 匀性 ， 相 光 由此 引起 光束 漂移和 扩 展 ， 强度 起伏 和 像点 抖 动等 一 系列 相 位在 空间 和 时 间上 出现随 机 分 布 ， 干性 退 化 ， 束 面 积 扩大 ， 起接 收端 的光强 起伏和 衰减 。 大气 湍流 使信 号 引 光 传输 的大 气湍 流效 应。我们通 常 把折射 率场 的变化 主要 变得 不 易把 握 ， 对光 通信 系统 的稳 定 通信 造成 很 高误码 率 是 由温 度起 伏 引起 的湍 流称 为 光学 湍流 ， 度这 种折 射 率 量 通信 质量 下 降。

大气湍流中光传播的数值模拟

大气湍流中光传播的数值模拟

大气湍流中光传播的数值模拟* 马保科1,2， 郭立新1 吴振森1（1.西安电子科技大学，陕西西安 710071 2.西安工程大学，陕西西安 710048 ）摘 要 光在大气湍流中传播时，受大气分子、气溶胶等粒子的相互作用，将发生光束扩展、漂移和相干性退化等大气湍流效应，这些因素严重影响了光波的远场特性。

文章从大气湍流中光传播的理论研究入手，分析了如何构造较为合理的大气湍流相位屏。

进而采用McGlamery 算法，对Kolmogorov 谱下的大气湍流随机相位屏进行了数值模拟，并分析了光波从发射机经湍流大气传播到达接收机时的远场变化特性。

研究表明，大气湍流的存在对光的远场传播质量造成很大的影响，研究结果也为大气湍流中与光传播相关的工程应用及自适应光学技术的完善提供了参考。

关键词 大气湍流；McGlamery 算法；相位屏模拟； 大气结构常数；中图分类号 TP391 文献标识码 A1 引言大气湍流是一个相当复杂的随机媒质系统，虽然物理学界对湍流的研究已经历了相当漫长的历史，但因涉及的因素千头万绪，其间的相互作用和关系也错综复杂，人们对其物理本质至今未能做到较为清楚的认识。

因此，光在大气湍流中传播问题的研究仍存在理论和实验上的挑战[1,2]。

通常，当光在湍流大气中传播时，光束截面内包含着许多的大气漩涡，这些漩涡各自对照射到它的那一部分光束形成衍射作用，可导致光束的强度和相位随机变化，进而表现出光束扩展，大气闪烁和相位起伏等大气湍流效应，从而严重降低了接收机的接收效率。

目前，突破大气湍流的影响仍是光在随机介质中传播所要解决的关键问题[3]。

早在20世纪中期，苏联的Obukhov 便采用Rytov 平缓微扰法由实验反演湍流特征。

在闪烁的饱和现象被发现之后，物理学界又将Markov 近似引入求解光场的统计矩，研究大气湍流下的光场特性[1]。

然而，在中等起伏条件下，目前仍没有找到很好的解析处理方法。

由于数值模拟能够从光的传播过程出发，较为清楚地反映出所涉及问题的物理本质，因而成为研究湍流效应的主要方法[4]。

大气湍流对空间相干光通信的影响研究

１ ０ ０ ％的外 差效 率 。文献 【 ８ 一 ｌ ０ 】 的研 究 结果 未 考 虑大 气 湍 流对 外 差效 率 的影 响 ， 文献 【 ｌ ｌ 】 研究 了大气 湍 流对 外 差 效率 的影 响 ， 但 忽 略了本 振 光场 分 布模 型不 同时大 气 湍流 对外 差 效率 影 响 的差异 。 实际 中探 测器 表 面
导师 简 介 ： 柯 熙政（ １ ９ ６ ２ 一） ， 男， 教授 ， 博士生导师 ， 主 要 从 事 自 由空 间 光 通 信 方 面 的研 究 。Ｅ — ｍａ ｉ ｌ ： ｘ ｚ ｋ ｅ ＠２ ６ ３ ． ｎ ｅ ｔ
０ ８０ ６０１ —１
５ ２ ， ０ ８ ０ ６ ０ １ （ ２ ０ １ ５ ）
Ａ ｂｓ ｔ ｒ ａｃｔ Ｔｈｅ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃｉ ｅ ｎｃ ｙ ｏｆ ｏ ｐｔ ｉ ｃａ ｌ ｈｅ ｔ ｅ ｒ ｏｄ ｙｎｅ ｄｅ ｔ ｅ ｃｔ ｉ ｏｎ ｉ ｓ ｎｏ ｔ ｏ ｎｌ ｙ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｅｄ ｔ ０ ｔ ｈｅ ａ ｔ ｍ ｏｓ ｐｈｅｒ ｉ ｃ ｔ ｕｒ ｂｕｌ ｅ ｎｃ ｅ． ｂｕｔ ａ ｌ ｓ ｏ
收 端 一 般 采 用 外 差 探 测 方 式 。
大气 湍 流效 应 严 重 影 响 了空 间相 干 光 通 信 的可 靠性 和稳定 性 ， 降低 了外 差 探测 系 统 的检 测灵 敏 度 ， 增 加 了接 收信 号 的误 码 率 。文 献 【 ８ 】 研究 了 Ａ ｉ ｒ ｙ ＋ Ｇａ ｕ ｓ ｓ 分 布模 型 的外 差 效率 ， 给 出 了获得 最 大外差 效 率 时
ｈｅ ｔ ｅ ｒ ｏｄｙ ｎｅ ｅ ｆ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎｃ ｙ ｉ ｓ ｍｉ ｎｉ ｍ ｕｍ ， ａ ｎｄ ｗｉ ｌ ｌ ｎｏｔ ｃｈ ｎ ｇｅ ａ ａ Ｊ ０ｎｇ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ ｄ ｅ ｔ ｅｃ ｔ ｏｒ ｒ ａ ｄｉ ｕｓ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｔ ｈｅ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎｃ ｙ ｉ ｓ ｍａ ｘｉ ｍ ｕｍ ．

面向空间光通信湍流抑制的光场调控技术研究-概述说明以及解释

面向空间光通信湍流抑制的光场调控技术研究-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述随着信息传输的需求不断增长，空间光通信作为一种高速、高容量的通信方式受到了广泛关注。

然而，由于大气湍流的存在，空间光通信在实际应用中面临着严峻的挑战。

湍流是由于大气中的不均匀加热和不稳定的气流引起的空间内的大尺度扰动。

这些湍流对光信号的传输会引起相位畸变、强度衰减以及光束传播方向的扰动，从而导致光通信系统的性能大幅下降。

为了解决湍流对空间光通信的影响，光场调控技术应运而生。

光场调控技术通过控制光信号的相位、幅度和波前分布，能够抑制湍流带来的光学畸变，并实现稳定的光通信传输。

本文将重点研究面向湍流抑制的光场调控技术。

首先，我们将介绍光场调控技术的基本原理和方法。

然后，我们将探讨空间光通信在湍流环境下所面临的挑战，包括光束衰减、相位畸变和指向误差等问题。

最后，我们将讨论针对这些挑战的光场调控技术的优势和应用前景。

本研究的目的在于提出一种针对湍流抑制的光场调控技术，并探讨其在空间光通信领域的应用前景。

通过对光场调控技术的研究和应用，我们期望能够有效地提升空间光通信系统在湍流环境下的传输性能和稳定性，为实现高速、高容量的空间光通信提供有力支撑。

1.2文章结构1.2 文章结构本文共分为三个主要部分，分别是引言、正文和结论。

引言部分主要介绍了本文的研究背景和意义，对光场调控技术在面向空间光通信湍流抑制方面的应用进行了简要介绍，并概述了文章的结构。

正文部分将详细介绍光场调控技术的基本原理和方法，包括光场调控技术的介绍，空间光通信所面临的挑战以及湍流对光通信的影响。

在介绍光场调控技术时，将着重探讨其在湍流抑制方面的应用，包括传统调制方法、自适应光学方法等。

在讨论空间光通信的挑战时，将涵盖大气湍流、自由空间传输的信道特性等。

在探讨湍流对光通信的影响时，将重点分析湍流对信号传输过程中的信号损失、相位畸变等方面的影响。

结论部分将总结本文的主要内容，重点阐述面向湍流抑制的光场调控技术的优势和应用前景，并对未来的研究方向提出展望。

大气湍流对激光通信系统误码率影响的研究

大气湍流对激光通信系统误码率影响的研究王德飞;楚振峰;任正雷;李广东【摘要】Based on Kolmogorov and Rytov's theory model and considering the effect of turbulence intensity on the performance of free space laser communication,a modified theory model used to depict the bit errorrate(BER) in beth weak and medium turbulence conditions is obtained, the influence of turbulent intensity and wavelength on BER in communication system is also simulated. It is shown that in medium turbulence field, the influence of BER is very obvious compared with weak turbulence. The system BER increases rapidly with the increase of the propagation distanee and trends to saturation. With system's BER below 10 -9 ,the effective communication range in the weak atmosphere turbulence will be greater than that in the medium turbulence regime. Under a certain intensity of turbulence the longer the wavelength is adopted, the better the system performance is. The analytical results can be used to improve the performance of laser communication system.%基于Kolmogorov和Rytov 的大气湍流理论模型,考虑到大气湍流引起的强度闪烁对激光通信系统性能的影响,得到了用于描述强、弱湍流条件下误码率的理论模型,数值模拟了湍流强弱和激光波长对通信系统误码率的影响.结果表明:中强湍流区对信噪比的影响明显大于弱湍流区,随着传输距离的增加,系统的误码率迅速增大并最终趋于饱和;当系统误码率低于10<'-9>时,弱湍流区的有效通信距离远大于中强湍流区.同时,当湍流强度一定时,激光的波长越长对改善系误码率越有利,对工程上提高激光通信的质量具有一定的参考价值.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2011(041)004【总页数】4页(P390-393)【关键词】激光通信;大气湍流;误码率;信噪比【作者】王德飞;楚振峰;任正雷;李广东【作者单位】中国人民解放军63889部队,河南,盂州,454750;中国人民解放军63889部队,河南,盂州,454750;中国人民解放军63889部队,河南,盂州,454750;中国人民解放军63893部队,河南,洛阳,471003【正文语种】中文【中图分类】TN911.14;TN929.12自由空间激光通信技术是以激光束为信息载体，在大气信道中进行信息传递的一种通信方式。

大气激光通信中光强闪烁及其抑制技术的研究

大气激光通信中光强闪烁及其抑制技术的研究大气激光通信中光强闪烁及其抑制技术的研究引言：随着信息技术的迅猛发展，越来越多的数据需要在广域范围内进行快速、高效的传输。

然而，传统的电磁波通信技术在长距离和高速传输方面存在一定的局限性。

相比之下，大气激光通信作为一种新兴的通信技术，具有高效、高带宽、低能耗和安全性高等诸多优势，被广泛应用于各个领域。

然而，由于大气中的非均匀性、湍流效应和气溶胶散射等原因，大气激光通信中光强闪烁成为了当前需要解决的关键问题。

本文将重点探讨大气激光通信中光强闪烁的原因及其抑制技术的研究现状和发展趋势。

一、光强闪烁的原因探究1. 大气湍流效应大气中的湍流效应是造成光强闪烁的主要原因之一。

当光波穿过气流速度不同的区域时，会形成折射率的空间脉动，导致光强的空间随机变化。

2. 气溶胶散射大气中的气溶胶散射同样会引起光强的闪烁。

气溶胶颗粒会在光波传播路径上发生散射作用，导致光强的时域和频域的空间变化。

3. 大气透明度变化大气中的透明度会随着时间的变化而波动，进而导致光强的闪烁。

这主要是由于大气中的温度、湿度和气压等因素的变化引起的。

二、光强闪烁抑制技术的研究现状针对大气激光通信中光强闪烁的问题，研究者们提出了一系列抑制技术，包括自适应光学技术、发射端及接收端处理技术等。

1. 自适应光学技术自适应光学技术是通过在传输路径上安装自适应光学元件，根据接收端接收到的光强信息对光波进行矫正的方法。

这类方法主要包括自适应光学镜和自适应光学阵列等。

2. 发射端处理技术发射端处理技术主要通过改变发送激光的参数来抑制光强闪烁。

例如，可以通过调整激光的功率、波长、脉冲宽度等参数来降低光强的变化范围。

3. 接收端处理技术接收端处理技术是通过在接收端对传输的光强信号进行处理来抑制光强闪烁。

常见的方法包括光强平均化、自适应误码率估计等。

三、光强闪烁抑制技术的发展趋势目前，光强闪烁抑制技术还存在一些挑战和局限性，如对硬件设备的要求高、抑制效果受到环境变化的干扰等。

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2 - 1/ 3 21 91 C n LD , [ 19]
第 30 卷第 6 期 2 0 09年6月
兵 工 学 报 A CT A AR MA M EN T ARI I
Vol. 30 N o. 6 Jun. 2009
大气光通信中大气湍流影响抑制技术研究进展
陈纯毅 , 杨华民, 姜会林, 冯欣, 王辉
( 长春理工大学 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室, 吉林 长春 130022)
无限制地增大 , 但其计算结果只在 R2 l < 013 范围内 有效 , 通常将此范围称为弱湍 流区。 Ryt ov 方差计 算结果虽然只适用于弱湍流区, 但是却作为湍流强 弱的某种标志而大量地出现在各种文献之中 , 而且
2 在弱湍流区 , 有 R2 I U Rl . 对于强湍流区中闪烁指数
的求解 , 分别有 Andrew s - Prokhorov 和 Churnside 渐 [ 6] 进分析模型 , 这两种渐进分析模型都建立在 Ryt ov 方差基础之上, 二者都考虑了闪烁饱和问题。最近, Andrew s 等 [ 2 ] 又在大尺度起伏调制小尺度起伏思想 的基础上 , 提出了适用于从弱至强湍流区的闪烁指 数计算模型
Abstract: At mospheric t urbulence causes t he increases of bit - error - rat e ( BER) in atmospheric opt ical communicat ion links. Mit igat ion technolog ies of turbulence eff ect s can be used to improve the perf or mance and enhance t he data - rate and communication distance of opt ical communicat ion. T he lat est mechanism researches of t urbulence eff ects on opt ical communicat ion were brief ly summarized, and t he v arious influences of turbulences on that w ere described, such as int ensit y scintillat ion, beam w ander, ang le - of arrival f luctuat ion, phase f luct uat ion, beam spreading , etc. T he development of m it igat ion technologies of turbulence eff ect s w as summarized. Based on diff erent principles, various m it igat ion technologies were described in det ail, such as large apert ure receiver, diversity, part ially - coherent beam propag at ion, temporal domain processing & t hreshold opt imizat ion, adapt ive opt ics, et c. Focusing on their principles and im pact s, various m it ig at ion technologies w ere analyzed and discussed. L astly, the fut ure research directions w ere g iven. Key words: communication; opt ical communicat ion; large apert ure; diversit y; part ially coherent beam; tem poral domain processing; adapt ive opt ics
第6期
大气光通信中大气湍流影响抑制技术研究进展
781
23X 4) , 其中 I 0 为真空传输时的接收光强 , X 为光 波的对数振幅。光在大气湍流中传输时, X 是一个 均值为3X 4、 方差为 R2 l.
2 RX
的聚焦光斑产生抖动, 即聚焦光斑会脱靶。这可等 效为收、 发光端机视轴之间产生的随机对准误差 , 其 会影响接收机对通信光信号的接收。到达角定义为 B= $l / D , $l 为光程差 , D 为接收望远镜口径 对 于 平 面 波 传 播, 到 达 角 起 伏 方 差
摘要: 大气湍流导致大气光通信链路的误码率上升。 湍流影响抑制技术的研究成果有利于提 升大气光通信的性能 , 提高链路的通信速率及距离。 首先总结了大气湍流对光通信影响机理的最 新研究成果 , 指出了不同大气湍流效应对光通信的影响形式 , 其中包括光强闪烁 、 光束漂移、 到达角 起伏 、 相位起伏 、 光束扩展等。 综述了大气湍流影响抑制技术的研究动态和新进展 , 并根据抑制技 术原理的不同, 详细地论述了大孔径接收 、 分集、 部分相干光传输、 时域处理与阈值优化、 自适应光 学等技术。 从抑制原理和效果出发 , 对各种大气湍流影响抑制技术进行了分析和讨论, 最后简述了 进一步开展工作的方向。 关键词 : 通信技术 ; 光通信 ; 大孔径 ; 分集 ; 部分相干光 ; 时域处理; 自适应光学 中图分类号 : T N9291 12 文献标志码: A 文章编号: 1000 - 1093( 2009) 06 - 0779 - 13
L
11 / 6
,
( 2)
为大气折射率结构常数; k = 2P/ K为光波
波数; L 为激光发射器与接收器之间的距离。上式 考虑的是水平传输情形 , 其假设 C 2 n 为常数, 对于空 地斜程 传输 , 则需 要在 传输 路径 上对 C 2 n 进 行积 分[ 35]
。虽然( 2) 式暗示了随着 L 的增加, R2 l 可以
[ 1]
式中:
R2 x
和
R2 y
分别为正规化的大尺度起伏方差和
小尺度起伏方差, R2 x 主要源于大尺度涡旋的散射效 应 , R2 y 主要源于小尺度涡旋的衍射效应。 Andrew s 闪烁指数计算模型使得在分析大气湍流引起的光强 闪烁时, 对于从弱至强的整个湍流区有了统一的计 算模型 , 方便了问题的求解。 忽略码间串扰 , 对于 OOK 调制, 接收机只在传 输/ 10 码时收到光信号, 接收光强 I r = I 0 exp ( 2 X -
780
兵
工
学
ห้องสมุดไป่ตู้
报
第 30 卷
0
引言
或在接收面上的投影位置发生随机漂移 , 即光束漂 移 , 结果可能会导致激光光斑脱离接收机视场, 造成 通信链路的突发性中断 ( 约为 ms 量级 ) ; 当 d / l U 1 时 , 光束截面将发生随机偏转, 形成到达角起伏, 引 起焦平面上的像点抖动 ; 当 d/ l m 1 时 , 光束截面内 将包含许多涡旋, 引起激光光强起伏、 相位起伏、 光 束扩展等效应。上述影响的总结果是导致通信系统 误码率提高 , 信道容量下降。 11 1 光强闪烁及其概率分布 大气湍流导致激光辐照度起伏 , 使得入射到探 测器上的光信号强度忽高忽低, 影响接收机的阈值 判决。激光在湍流大气中传输时, 辐照度起伏的理 论和实验研究焦点主要是闪烁指数 R2 I
收稿日期 : 2008- 07- 22 基金项目 : 国家自然科学基金( 60677009) 资助项目 ; 吉林省自然科学基金项目 ( 20070527) ; 吉林省教育厅/ 十一五0 项目 ( 2007294) 作者简介 : 陈纯毅 ( 1981 ) ) , 男, 博士研究生。 E -mail: chenchunyi@ hotmail . com; 杨华民 ( 1963 ) ) , 男, 教授 , 博士生导师
( Key L aboratory o f M inistry of Education for P hotoelectr ic M easur ing & Control and O ptical Info rmat ion T r ansfer T echnology, Chang chun U niv ersity of Science and T echnolo gy, Changchun 130022, Jilin, China)
( 1)
式中 : I 为光强, 3 #4表示系综平均。当 F resnel 距离 (K L ) 1/ 2 m l 0 时, 平面波的对数光强起伏方差 ( 也叫
[ 2] 作 Ry tov 方差) R2 l 为
Rl = 3ln I - 3ln I 4) 4= 11 23 C n k 式中:
2 Cn
2
2
2 7/ 6
Research Progress of Mitigation Technologies of Turbulence Effects in Atmospheric Optical Communication
CHEN Chun - yi, YANG H ua - min, JIANG Hui lin, FENG Xin, WANG Hui
2 2 R2 I = 3I 4/ 3I 4 - 1,
自由空间光通信 ( F ree - Space Opt ical Communi cat ion, F SOC) 作为一种新型的宽带无线通信技术 , 因拥有许多无可比拟的优点而备受关注, 与光纤通 信相比, 无需铺设光缆, 价格便宜、 建设周期短 , 且频 带可以达到光纤通信的水平; 与微波通信比, 它同样 有优势 , 频带比微波高 3~ 4 个数量级, 而且无需进 行频率申请。同时 FSOC 设备具有组网机动灵活、 无电磁干扰、 通信保密性好、 性能价格比优、 室内外 设备安装方便等一系列优点, 因而有着广阔的应用 前景。目前 , FSOC 已成为发达国家宽带通 信的关 键技术 , 美国在政府花巨资开展该领域应用基础研 究之后, AT & T 、 Cisco 和 Nortel 已投入数十亿美金 研发该类技术和产品。 当 F SOC 链路经过地球大气层时, 激光信号的 传输不可避免地要受到大气环境的影响, 所以通常 也把大气环境中的 FSOC 叫做大气光通信。虽然大 气光通信相比于传统的无线通信技术有许多优点 , 但是大气对光信号传输的影响成为大气光通信普及 的一大障碍。由大气运动形成的大气湍流引起大气 光学折射率出现随机起伏, 造成在其中传播的激光 出现光强闪烁、 光束漂移、 到达角起伏、 相位起伏、 光 束扩展等现象, 使得接收光信号受到严重干扰 , 通信 误码率上升, 甚至出现短时间通信中断 , 严重影响了 大气光通信的稳定性和可靠性。所以, 大气湍流影 响抑制技术引起了国内外学者的广泛关注, 已成为 大气光通信研究中的一个难点和热点。 本文将介绍激光大气湍流传输机理及其对大气 光通信的影响, 讨论大气湍流影响抑制技术的原理 及实现途径 , 并综述近年来大气湍流影响抑制技术 的研究动态和新进展, 最后讨论未来需要开展的研 究工作。