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M分布大气湍流模型对空间光通信系统性能影响研究

高琪  
【摘要】:自由空间光通信技术的发展越来越迅速,特点是传输速率高、抗干扰能力强、大容量、保密性好等优点吸引着越来越多的研究者开发其在不同应用领域的潜力。光束在穿过不同大气湍流情况下,会受到大小湍流的影响产生折射率的波动,进一步影响了光束相干性。研究大气湍流分布模型对我们选择合适的光强模型并进行通讯性能的研究是十分有益的,通过光波穿过不同的大气湍流后的光照强度来研究整个系统通信过程中的信噪比、误码率、中断概率等通信性能。即使是在晴朗的天气下,无线光学链路通过湍流介质传播时也会产生光波的强度和相位的波动。近年来,提出了一种新的Malaga光强分布统计模型,用于模拟均匀各向同性湍流中所有辐照度波动条件下,通过湍流介质传播的无边界光学波前(平面波和球面波)的辐照度波动。不仅要了解大气湍流的特性,还要找到最符合实际情况下的湍流分布模型。不同的模型有着不同的物理构架和数学解析式,在最符合实际情况分析的前提下,找到相对清晰的物理模型和简易的数学表达式,对于后续的仿真分析和实验验证是十分有利的。多孔径接收技术对于空间光通信传输中大气湍流的抑制作用是十分有效的,接收端接收的信号是相互独立的,降低了接收端识别错误信息的概率,再采用不同的合并方式对接收光强进行合并,分集技术和合并技术具有很强的抗大气信道衰减能力,保证了传输的质量。其中,在科学界使用最多的合并方式,即最大比合并(MRC)、等增益合并(EGC)。MRC方式是把望远镜接收端接收的光信号按不同的比例进行合并,各望远镜的合并系数与该望远镜的信噪比成正比,信噪比越大,合并系数越大,也越可以降低各接收望远镜的接收光的差异性。EGC方式则是把多个望远镜接收端接收到光信号按照相同的比例来合并。本文将分析在地面水平链路中基于Malaga分布的大气湍流模型下的光辐照度概率密度函数作为大气湍流导致的光强闪烁模型,考虑不同的湍流情况下的多孔径接收技术,对大气湍流导致的不同分布模型之间的对比转化和不同分布模型之间的通信性能进行研究,主要研究工作如下:(1)基于Malaga分布模型的理论数值解和外场实验传输数据所拟合匹配程度,来验证理论模型的正确性,并分别用Gamma-gamma分布、K分布等广泛使用的大气湍流模型进行理论仿真曲线和实验数据拟合曲线的匹配,来验证Malaga分布是光强闪烁的统一模型。(2)基于Malaga分布模型下的光辐照度概率密度函数,对系统通信性能进行研究。直接探测多孔径接收系统下,对MRC方式下的中断概率进行理论仿真分(3)基于不同的湍流强度,对系统的通信性能进行研究。在弱湍流中,对比基于Gamma-gamma分布和Malaga分布直接探测下的光纤耦合MRC、EGC多孔径接收系统的信噪比和误码率,最后对比两个分布模型的接收系统误码率。在强湍流中,对比基于K分布和Malaga分布直接探测下的光纤耦合MRC、EGC多孔径接收系统的信噪比和误码率,最后对比两个分布模型的接收系统误码率。(4)本文引用前人对大气湍流外场试验数据进行分析,以11.16km水平距离进行的城市链路实验数据为基础进行分析仿真,对不同湍流强度下的实验样本光强分布直方图与Malaga分布曲线进行对比,再将实验光强数据代入误码率表达式,验证不同分布模型之间的理论仿真分析。本文基于Malaga光强分布模型进行多孔径系统的通信性能研究,为的是找到更符合实际分布的大气湍流模型,本文进行了理论分析,仿真分析,实验数据分析。若深入研究,一定会给未来的空间光通信发展提供有意义的理论基础。


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