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湍流大气信道中随机相位调控的阵列光束传输性能研究

张迪  
【摘要】:自由空间光通信由于通信容量高,抗干扰和抗截获的能力强等优势而得到了广泛重视和研究。然而,大气环境下的湍流效应会严重影响激光信号的传输性能,降低光通信系统的跟踪精度,增强光信号闪烁效应,影响通信误码率、通信速率和距离等性能。已有理论和初步实验研究表明,部分相干光具有抑制光传输湍流效应的能力。传统部分相干光获取方式较难应用于光通信系统,因此,开展新型部分相干光源的开发及其通信性能分析与实验研究,对改善和提升大气环境下的无线光通信系统性能,具有重要的学术意义与应用价值。本文首先介绍了大气湍流的特性及对光束传输特性影响的评价参数,并基于湍流信道模型,给出了湍流大气环境下通信系统的输出信噪比及平均误码率的表达式。针对随机相位调控的光纤阵列部分相干光,开展了光源相干性调控实验,通过对铌酸锂相位调制器施加不同幅度范围的随机调制电压,光纤阵列产生实现了强度关联系数为1.08~1.32的部分相干光。利用热风式湍流模拟器,进行了不同湍流强度下的部分相干光传输实验:当湍流大气相干长度为0.11m时,随机调制电压-4~4V时的闪烁指数最小,大气相干长度为0.0658m时,随机调制电压-5~5V的闪烁指数最小;实验结果表明:对于确定的湍流大气相干长度,部分相干光传输时的闪烁指数小于相干光。但改善程度与湍流强度及光源相干性有关,闪烁指数随调制电压变化存在极小值,表明给定湍流强度下,可通过调控部分相干光的相干性,有效减小湍流影响,进一步定量实验测试表明,随着湍流强度增加,增大关联系数可减小闪烁指数。实验结果为自适应调控随机相位降低湍流影响提供了实验支持。在光纤阵列部分相干光传输实验的基础上,本文分析研究了随机相位调控的阵列准直光束在湍流大气中的闪烁特性和通信误码率。利用多相位屏模拟方法,数值计算了阵列光束在湍流大气中的光强分布与闪烁特性,分析了随机相位幅值、占空比、光束数目对光源相干性的影响及其对光束在湍流大气中的闪烁指数与平均误码率的影响。结果表明,通过随机相位调制降低光束相干性,增加光束数目(如由7路增加为19路),均可显著降低光束的光强闪烁指数,并提升通信性能;随机相位幅值对光束闪烁指数的影响与湍流强度有关,大气相干长度为0.136m时,强度关联系数为1.1的光束闪烁指数最小,而随着湍流影响增强,增大关联系数,降低相干性,可减小闪烁指数。阵列准直光束相干性可调控、功率高等特性为无线光通信系统新型光源的设计与改进提供了重要依据和参考。


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