星地激光通信中非柯尔莫哥洛夫湍流影响研究

【摘要】：卫星激光通信技术是卫星通信领域的高新技术,与传统的卫星微波通信相比,具有传输数据率高、通信容量大、抗干扰性能强、信息安全性高、设备体积小、重量轻、功耗低、不需要无线电频率使用许可等诸多优点。自二十世纪六十年代以来,美国、欧洲各国以及日本等发达国家甚至包括一些发展中国家都先后投入了大量的人力和物力进行卫星激光通信技术的研究和开发。经过半个多世纪的努力,卫星激光通信技术的研究已经进入到了空间实验阶段,并已成功地进行了多次星地和星间激光通信实验,正在向商业化和应用化方向发展。 在卫星激光通信的诸多链路中,星地链路作为其主干链路尤其受到关注并得到广泛研究。对于星地激光通信而言,由于地球大气层是其通信信道的一部分,因此大气湍流会对激光通信链路的建立和保持及其性能产生影响。进行大气湍流对星地激光通信影响的研究,对卫星激光通信的系统设计、在轨试验以及实际应用都具有重要的指导意义。 迄今为止,大气湍流对星地激光通信影响的研究主要考虑的是柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)湍流,因为这一模型不仅简单,而且在边界层有大量的实验支持。然而,大气湍流的实测却表明对流层的大气湍流是Kolmogorov湍流,平流层(包括对流顶层)的大气湍流却是另外一种湍流存在,即非柯尔莫哥洛夫(Non-Kolmogorov)湍流;同时理论研究的结果也表明Kolmogorov湍流不是大气中唯一可能的湍流模型,Non-Kolmogorov湍流在大气中是存在的。因此,对于星地链路而言,将整个链路的大气湍流都作Kolmogorov湍流处理显然已经不符合星地链路大气湍流的实际情况。那么,根据星地链路大气湍流的实际情况研究大气湍流效应,进而研究大气湍流对星地激光通信的影响就成为了一个需要解决的科学问题。 本论文基于大气湍流效应和大气湍流对星地激光通信影响的研究现状,主要进行了以下两个方面的研究工作: 1. Non-Kolmogorov大气湍流效应研究基于Non-Kolmogorov湍流折射率起伏功率谱密度,对Non-Kolmogorov大气湍流效应进行了理论研究,主要包括以下几方面的内容: 1)建立了Non-Kolmogorov大气湍流光束漂移方差的理论模型,利用几何光学近似方法,给出了弱起伏条件下准直光束和聚焦光束光束漂移方差的解析表达式。 2)建立了弱起伏条件下Non-Kolmogorov大气湍流到达角起伏的理论模型,包括三方面的内容: (1)研究了Non-Kolmogorov大气湍流的到达角起伏,利用谱分析法,给出了弱起伏条件下平面波和球面波到达角起伏方差的解析表达式; (2)研究了Non-Kolmogorov大气湍流到达角起伏的外尺度效应,利用谱分析法,给出了弱起伏条件下平面波和球面波包含内外尺度的到达角起伏方差的解析表达式,这些表达式具有更大的适用范围; (3)研究了Non-Kolmogorov大气湍流到达角起伏的时间变化特征,给出了弱起伏条件下平面波和球面波到达角起伏时间频率谱的解析表达式。 3)建立了弱起伏条件下Non-Kolmogorov大气湍流振幅(光强)起伏的理论模型,包括两个方面的内容: (1)研究了Non-Kolmogorov大气湍流高斯光束的振幅起伏,给出了弱起伏条件下高斯光束对数振幅方差的解析表达式;并在此解析表达式基础上,针对不同的光束类型,给出了准直光束、聚焦光束和会聚光束对数振幅方差的解析表达式。 (2)研究了Non-Kolmogorov大气湍流光强起伏的时间变化特征,给出了弱起伏条件下平面波和球面波光强起伏时间频率谱的解析表达式。 2. Non-Kolmogorov大气湍流对星地激光通信影响研究建立了星地激光通信的联合大气湍流光波传输理论模型,利用一个星地链路联合大气湍流模型,研究了对流层Kolmogorov湍流和平流层Non-Kolmogorov湍流对卫星激光通信的联合影响,对上行链路和下行链路的长期光束扩展、闪烁指数以及误码率等进行了分析。 本论文的研究工作是关于大气湍流效应及其对星地激光通信影响的应用基础研究。基于星地链路大气湍流的实际情况,通过理论分析和数值仿真方法研究了大气湍流对星地激光通信的影响,为星地激光通信系统的设计提供依据。本论文的研究成果不仅进一步充实了大气湍流光波传输理论,而且对卫星激光通信技术的发展具有重要的指导意义,必将推动星地激光通信技术的发展。