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黄土高原光强起伏特性及湍流强度的反演

王玺  
【摘要】:大气激光通信是以激光为信息载体在大气中传递信息的一种通信方式。大气激光通信已成为完善构筑未来世界通信网不可或缺的一种技术,也是今后最具有应用潜力的军用和民用通信方式,以其组网方式灵活多变、工程安装及维护方便、不受电磁干扰、带宽容量大,并且具有较高的可靠性和保密性等优点,逐渐成为近年来全球热点研究内容。然而,激光在大气信道传输数据过程中,由于信号裸露于外界环境中,会受到大气湍流、大气衰减和空间损耗等的影响,其中对光束影响最大的可以认为是由大气湍流产生的影响。因为大气湍流会使激光通过湍流信道之后引起激光光束的飘移、扩展和到达角起伏,同时还会导致激光光波阵面发生畸变等光学现象。此外,激光通信受到大气湍流的影响会导致无线光信号脱靶,造成数据的丢失甚至是造成通信中断,以及增大了误码率降低了通信系统的稳定性和可靠性。目前大量关于光强起伏和大气湍流强弱的研究表明在不同环境(如:激光传输信道下垫面不同或是气象条件不同)都可以呈现出不同的规律。因为我国地域辽阔,地形地貌和气象环境变化多端,需要研究不同下垫面、不同天气、不同时刻下的光强起伏规律以及湍流强弱规律就显得很有意义。然而,就当前的研究情况显示激光传输实验大部分都在夜间进行,从地理分布来看激光传输实验多在东部沿海发达地区进行。因此,选择在黄土高原地区开展激光传输实验,其具有较为显著半干旱地区气候的特殊性,且下垫面沟壑多呈现出不均匀特性,使得该地区湍流特征较全国其它地区相比更为复杂。此外,该地区相对于其他地区具有较高的气溶胶光学厚度,且沙尘暴和浮尘天气频发,导致该地区气溶胶组成与分布相比东部沿海地区有很大不同。为此,针对该地区,开展了全天候的光强起伏及湍流强弱规律实验研究,主要工作如下:(1)结合光强分布和起伏理论,依靠搭建测量光强的实验平台在黄土高原地区进行了水平链路长为720m的全天候激光传输实验。实验采集了2019年4-5月的激光光斑图像、光强变化数据和大气环境参数。研究了高斯激光在不同时刻下光强的空间起伏特性。实验结果表明:在一天24小时中,上午10点至下午2点光强起伏最剧烈,同时在早晚日出和日落交替时刻光强起伏也有较大变化。(2)利用自适应中值滤波对白天实验中每10s采集到的光斑图像进行消噪。研究结果表明:通过中值滤波消噪后的光斑图像,在三维伪彩色变换和光斑图像特征提取方面降低了噪声干扰,同时提高了光斑图像特征提取的准确度。(3)利用实验获取的黄土高原地区光强起伏变化规律,基于机器学习理论,估算了该地区的大气折射率结构常数,反演了湍流强弱。先后采用了PCA数据降维法和思维进化算法,对BP神经网络进行了优化,进一步提高了大气折射率结构常数估算值的准确性并减小其误差范围,与实验测量值进行了比较,结果表明两者的吻合度较好,能基本表现出黄土高原地区的光学湍流特征。分析结果表明:估算值与观测值的相关系数在66%以上。均方根误差、平均绝对百分比误差及平均绝对误差的误差分析显示,训练好的BP神经网络优化模型能够基本准确地估算出黄土高原地区的大气折射率结构常数,该常数能够准确的描述出该地区大气湍流活动的强弱变化。文章的研究成果为黄土高原地区建立近地面激光通信传输可提供一些帮助。


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