大气激光通信湍流效应分析与仿真

论文摘要

大气激光通信是利用激光束作为信息传输的载体,具有保密性好、容量大、抗干扰能力强等特点而受到广泛的重视。湍流大气是影响和制约大气激光通信系统性能的重要因素之一,因此,分析和研究湍流大气对通信系统的影响至关重要。本文首先描述了湍流的形成与统计特征,介绍了湍流介质中波传播的解析方法以及常用湍流功率谱模型,基于高斯光束在水平传输条件下的传播特性和闪烁模型的理论基础上,采用FFT谱反演法构造湍流和离散雨滴混合介质的随机相位屏,利用激光湍流大气传输的多层相位屏模拟方法,分别模拟分析了激光在湍流大气中传输的光斑、波束漂移和闪烁指数,模拟结果和理论分析结果有较好的一致性。根据高斯光束水平传播闪烁模型和随高度变化的湍流大气结构函数,用修正Rytov方法得到相应的斜程传输闪烁理论模型,并利用多相屏法对高斯波束地空垂直路径闪烁特性进行模拟。分析了在Non-Kolmogorov湍流谱下光束到达角起伏和漂移方差,且研究了Non-Kolmogorov湍流高斯光束对数振幅方差并进行数值仿真。最后分别讨论了闪烁和波束扩展效应对开关键控（OOK）、副载波相移键控（PSK）和副载波差分相移键控（DPSK）调制光通信系统误码率的影响。结果显示,在考虑闪烁效应影响时,副载波DPSK调制在光通信系统应用中比OOK调制和2PSK调制更具有优势,因此,采用增大系统接收孔径和选取合适的调制解调方式可以提高系统的通信性能。本文的研究工作对大气激光通信的发展和研究具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究发展动态
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 激光传输大气湍流效应
• 2.1 湍流的形成与统计特性
• 2.2 湍流介质中波传播的解析方法
• 2.3 常用湍流功率谱模型
• 2.4 高斯光束的光强起伏
• 2.5 本章小结
• 第三章 激光在湍流大气和雨混合介质中传播的数值模拟
• 3.1 场传播抛物型方程及“多相屏”法
• 3.2 随机相位屏的模拟和验证
• 3.2.1 FFT谱反演法
• 3.2.2 湍流大气随机相位屏的数值模拟和验证
• 3.2.3 湍流和雨混合介质随机相位屏的数值模拟
• 3.3 高斯光束在湍流和雨混合介质中传输的数值模拟
• 3.3.1 高斯光束在真空中的传播
• 3.3.2 高斯光束在湍流和雨介质中传播
• 3.4 高斯光束在混合介质中传播特性的模拟
• 3.4.1 光斑变化
• 3.4.2 光束漂移效应
• 3.4.3 闪烁指数
• 3.5 本章小结
• 第四章 湍流大气波束地空路径传输的闪烁特性及仿真
• 4.1 ITU-R湍流大气结构常数模型
• 4.2 高斯波束在湍流大气中斜程传播的闪烁特性
• 4.2.1 零内尺度模型下高斯波束的斜程传播
• 4.2.2 考虑内、外尺度模型下的闪烁指数
• 4.2.3 数值计算及结果分析
• 4.3 高斯波束地空垂直链路传播光场及闪烁指数的模拟
• 4.3.1 斜程湍流相位屏的设置
• 4.3.2 屏间折射率结构常数的设置
• 4.3.3 地空垂直路径条件下光场及闪烁指数的模拟
• 4.4 本章小结
• 第五章 激光在非柯尔莫哥洛夫湍流中传输特性的研究
• 5.1 Non-Kolmogorov大气湍流的统计特征
• 5.2 Non-Kolmogorov湍流光束漂移的理论研究
• 5.2.1 Non-Kolmogorov湍流准直光束的光束漂移方差
• 5.2.2 Non-Kolmogorov湍流聚焦光束的光束漂移方差
• 5.2.3 数值计算及结果分析
• 5.3 Non-Kolmogorov湍流到达角起伏
• 5.3.1 平面波Non-Kolmogorov湍流的到达角起伏方差
• 5.3.2 球面波Non-Kolmogorov湍流的到达角起伏方差
• 5.3.3 数值计算及结果分析
• 5.4 Non-Kolmogorov湍流高斯光束对数振幅方差
• 5.4.1 准直光束
• 5.4.2 发散光束
• 5.4.3 会聚光束
• 5.4.4 数值计算及结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 湍流大气对激光通信系统误码率的影响
• 6.1 激光通信系统的优点及组成
• 6.2 大气湍流对激光误码率的影响
• 6.2.1 大气湍流引起的信噪比及误码率
• 6.2.2 数值计算及结果分析
• 6.3 激光通信系统常用的调制方式及其差错性能
• 6.3.1 OOK信号的产生与解调
• 6.3.2 2PSK信号的产生与解调
• 6.3.3 2DPSK信号的产生与解调
• 6.3.4 数值计算及结果分析
• 6.4 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间研究成果