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大气湍流条件下3.5μm光传输性能研究

张博  
【摘要】:自由空间光通信是以激光光波为信号的载体,以大气为传输介质的一种新型的通信方式。结合了光纤通信和微波通信的优点,具有通信容量大、传输速率和安全性高、方向性好,无需铺设光纤等优点,被广泛应用于各个领域。但是大气湍流对传输于其中的激光会造成影响,并且严重影响通信系统性能。自由空间光通信系统所选波长大多在0.78μm至1.55μm之间,即近红外波段。根据激光在大气中的传输理论以及大量的外场实验数据表明,波长在3μm至14μm即中远红外波段激光所受到的大气影响要比近红外波段小,如果自由空间光通信载波采用中远红外波段将有助于降低大气的影响。本论文阐述了大气湍流造成光强起伏的机理,给出了弱起伏条件下的闪烁指数计算公式,并对此作出了修正,给出了修正的闪烁指数;采用Gamma-Gamma分布模型对激光在大气中光强分布进行模拟仿真,得出在不同的大气条件下激光的分布状态;在传输距离大气结构常数一定时,分析了激光的传播特性,即随着波长的增加,Rytov方差在下降;绘制了中远红外波段激光波长对Rytov方差的影响趋势图,可以看出在大气湍流中,中远红外激光比对近红外激光更具有优势,抵抗扰动能力更强。介绍了相位屏生成算法,比较了未添加谐波的和添加谐波算法的优劣,最终采用添加谐波方法生成相位屏,在大气相干长度分别为r_0=50cm,10cm,5cm,0.1cm情况下,生成了大小为512x512相位屏,在此基础上进行了激光在大气中传输的模拟,使用的激光为1μm,3μm,5μm和8μm高斯光斑,模拟的传播距离为1km,3km和5km,大气相干长度为0.1cm-80cm时的光束传输特性。通过理论解析解和模拟数值解的拟合程度证明了该模型的正确性。结果表明:伴随着大气相干长度的增加,光斑破碎情况严重。随后,根据风速,重新修正了相位屏模型,基于此,得到了时间相关的时域光强波形图,和概率分布统计图。利用Gamma-Gamma模型拟合了光强概率分布,但发现在弱湍流时候,Gamma-Gamma模型不能有效描述光强概率分布情况。因此,采用G-G模型去描述光强分布情况,通过仿真证明了G-G模型在强、弱、中三种大气湍流下,概率密度分布曲线均能很好的拟合理论曲线。对热风对流式大气湍流模拟装置所模拟大气湍流的等效性进行分析,设计了相关实验,采用四种波段的激光作为光源,对热风式大气湍流模拟装置的性能进行了验证。实验结果表明,该装置可以实现对中弱大气湍流(相干长度5-20cm,_nC~2在1.8 1?10~(-16)到1.8 1?10~(-15)之间)高效性的模拟。光强闪烁等效距离为661.2m。并且,其所模拟大气湍流光强闪烁效应与到达角起伏效应的频谱特性与概率分布特性与实际大气湍流相符。可以很好的实现对大气湍流的模拟。设计并制作了3.5μm光源,并采用该光源和第五章所述大气湍流模拟装置及相关装置开展了室内中远红外光束湍流大气传输特性验证试验。试验结果表明,大气条件为C_n~2(28)4.22?10~-1515 m~(-2/3),C_n~2(28)1.02?10~-1313 m~(-2/3),等效传输距离为5000m,3.5μm的光波比1.55μm和0.532μm的光波的起伏方差要小,即随着波长的增加,闪烁因子减小,也就说明长波红外激光比短波红外激光更适合在大气湍流中传输;且随着通信距离的增加,中远红外波段减缓大气湍流的作用的效果更加明显。验证了第三章中图3-4中所模拟的结果,说明波长长的光波比短波长的在大气信道中更具有抗噪性。其次,通过实验证明了G-G概率密度函数能较好的描述中远红外光波经过大气湍流信道后的光强分布,我们用G-G概率密度函数去拟合,其拟合的效率为90%,验证了G-G模型的正确性。


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