激光大气传输的信道及性能研究

【摘要】： 空间光通信是以激光为载波,以大气空间为传输信道的通信方式,是卫星-卫星和卫星-大地未来通信的主要手段,是数字大容量、宽带卫星通信的最佳解决方案,是未来量子通信时代天地一体化通信的唯一通信手段。由于大气信道是一个时变信道,激光在大气信道中传输时会产生闪烁、弯曲、漂移、扩展、畸变及光能量损失等现象,在空间光通信过程中影响通信质量,降低通信的可靠性。因此研究大气的信道模型,如何提高激光在大气中传输的可靠性,这是空间光通信领域研究的重要课题。 论文的主要工作包括: 1、基于Feynman路径积分理论,证明了在强湍流大气中光强度服从Γ分布的信道模型。两个统计独立的指数分布的光束叠加满足负指数分布,多个统计独立的负指数分布的光束叠加则满足Γ分布,又由多个统计独立的Γ分布的光束叠加则仍然满足Γ分布,在理论上解释了激光大气传输信道Γ分布的原理,并得到实验数据的证实。 2、对空间-时间分集技术提高空间光通信的性能作了理论分析。以Γ分布的信道模型为依据,对空间-时间分集技术改善空间光通信的性能作了理论分析,给出空间-时间分集技术的等效性的结论,并与已有的实验结果相符。从而在设计空间光通信系统时,对空间-时间分集技术灵活运用提供指导。 3、在选择分集技术与自适应信号处理算法基础上,提出空间光通信SD-LMS自适应信号处理算法。在LMS自适应信号处理算法的基础上,通过选择分集的方法得到“期望信号”,从而使SD-LMS输出信号信噪比随着分集输入信号分支路数增加而提高,输出信号畸变与单路输出信号相同。这样一方面提高了输出信号的信噪比,另一方面改善输出信号的畸变,从而提高LMS自适应信号处理算法的性能。 4、根据我国气候特点,对中国城市空间光通信的可用性进行具体分析,提出中国发展空间光通信的策略。选取194个城市三年天气数据资料作为样点,给出空间光通信系统的传输模型的基础上,计算空间光通信系统在194个城市的可用度,根据各个城市可用度的统计数据,将中国城市分为三类:推荐使用、可使用和不推荐使用空间光通信系统。提出中国要发展空间光通信技术,建立起天地一体化通信网络,推荐合适城市作为建立地面基站的建议。 本文提出信道模型及提高空间光通信的性能的技术和方法,通过理论和实验的证明是有效的,对空间光通信系统的设计与实现有一定的指导意义。