论文摘要
随着信息技术的不断发展,数据信息量日益增加,数据传输需求带宽也不断增加。自由空间光通信能提供高带宽远距离的无线通信链路,在最后一公里接入和星地通信等领域有着广泛的应用前景。然而由于大气湍流引起的光强闪烁、相位波动、光束扩展和光束漂移等效应严重降低自由空间光通信链路性能。本论文针对长距离、高传输速率的空间光通信,从光源的相干性和大气湍流相干尺度出发,研究克服大气强湍流复杂效应的新理论和新方法。针对大气湍流引起的光强闪烁和波幅畸变,提出并研究基于部分相干艾里激光束的自适应发射光学大气湍流抑制技术；针对大气强湍流的非线性和非均匀效应,提出并研究基于多光束的MIMO空间分集大气湍流补偿技术。探索湍流大气和部分相干多光场相互作用的统计规律,分析部分相干艾里多激光束在大气随机介质中的传输特性和通信系统性能影响规律。概括全文的研究成果和贡献,有如下几个方面：（1）采用非Kolmogorov折射率谱和基于空间滤波函数的扩展Rytov近似法,考虑了传输光波的空间相干性衰减,建立了高斯光束在非Kolmogorov强大气湍流传输的闪烁指数模型。系统分析了功率谱幂指数、折射率结构常数、传输距离、相位曲率半径、光束宽度和波长对强大气湍流中高斯光束闪烁系数的影响规律。采用PAMELA折射率结构常数模型和Gamma-Gamma光强起伏概率密度分布,分析了高斯光束在非Kolmogorov强湍流传输时风速对自由空间光通信的闪烁指数、平均信噪比和平均误码率性能影响。该理论模型可预测评估恶劣天气条件下远距离自由空间光通信系统性能。（2）实验研究高斯光束在大气湍流介质中的传输特性的。设计大气湍流发生器,构建大气湍流模拟实验仿真平台,评估湍流介质折射率结构常数,实验测量高斯光束在大气湍流传输的强度起伏和频谱起伏特性,为探索有效抑制大气湍流效应的技术提供平台。（3）理论研究部分相干艾里激光束的大气湍流传输特性,建立部分相干艾里光及其在湍流大气传输的数理模型,理论分析部分相干艾里激光束经湍流大气作用后的光强统计分布和演化特性。（4）实验研究部分相干艾里激光束的合成产生及其传输特性。利用空间光调制器设计合成新型部分相干艾里激光的发射光束处理系统,研究部分相干艾里激光束在自由空间、湍流介质和散射介质中传输特性,优化调整抑制大气湍流波幅畸变和闪烁效应的合成光束参数。（5）设计了一种基于鱼眼透镜的宽视场光学天线。宽视场光学天线由鱼眼透镜组、补偿透镜和离轴非球面折反射式望远镜构成。同时引入了由初级对准反射镜和次级跟踪反射镜构成的两级跟踪机构。评估了宽视场光学天线在不同视场角条件下的光学性能。宽视场光学天线能够为自由空间光通信系统提供60度的视场角扩大跟踪范围,同时又能校正光学像差提高跟踪精度。（6）研究基于大视场光学天线的MIMO空间光通信技术。对于高斯光束在非Kolmogorov强湍流传输,分析了在不同发射/接收孔径数目下MIMO空间光通信误码率特性。通过优化空间相干长度和接收孔径空间间距,可以明显提高MIMO空间光通信系统在强大气湍流中的误码率特性。（7）研究分析了部分相干光束阵列在非柯尔莫哥洛夫强湍流中传输的MIMO FSO通信系统平均容量性能。推导出了部分相干光束阵列的闪烁系数和MIMO FSO链路平均容量的解析表达式和统计模型。考虑了独立分集支路数量、功率谱指数α、折射率结构常数、传输距离和光源的空间相干长度对闪烁系数和平均容量的影响。该模型可用于优化空间分集结构和空间相干长度以提高MIMO FSO链路在各种大气湍流条件下的传输容量。