大气湍流对激光通信系统误码率影响的研究

激光通信的应用

激光通信的应用 1．激光的定义：由受激发射的光放大产生的辐射。 2．激光通信：定义1：利用激光进行信息传递的通信。定义2：利用激光传输信息的通信方式。按传输媒介的不同，可分为大气激光通信和光纤通信。 3．激光通信的原理：无线激光通信设备的激光通信终端每一侧分别包括专用望远物镜(Telescope)、激光收发器部分、线路接口、电源、机械支架，部分厂商的设备还包括伺服、监控、远程管理等部分。激光是一种光波，也具有电磁波的性质。然而。激光与一般的无线电波又有明显的不同，激光的频率为几亿兆周，是微波（超高频电磁波）频率的10万倍以上。由波长与波速C及频率的关系式可知，激光的波长非常短，所以其波动性远比无线电波差。相反，激光却具有奇特的粒子性，因而使它在军事通信中成为引人注目的“后起之秀”。激光通信与无线电通信基本相似，在发送端用激光器发出的激光作为载波。话音信号通过发话器变为电信号送入调制器，调制器控制载波的某个参数（频率、振幅或相位）使其按话音的变化把话音信号寄载在激光光波上，通过发射望远镜(也称发射天线）发送出去在媒质中传播。在接收端，接收望远镜（也称接收天线）将激光信号按发送端的逆方向转化为话音信号。根据传输媒质的不同，激光通信可分为宇宙通信（激光在大气层以外的宇宙空间传播）、大气通信（激光在大气层以内传播）、水下通信（激光在水下传播）以及光纤通信（激光在光导纤维内传播）。四．激光通信的优缺点：相比于微波通信等其他几种接入方式，无线激光通信主要优势包括： 1．无须授权执照无线激光通信工作频段在365～326 THz（目前提供无线激光通信设备的厂商使用的光波长范围多在820nm～920nm），设备间无射频信号干扰，所以无需申请频率使用许可证。 2．安全保密激光的直线定向传播方式使它的发射光束窄，方向性好, 激光光束的发散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量级，因此具有数据传递的保密性，除非其通信链路被截断，否则数据不易外泄。

大气激光通信系统的研究解析

大气激光通信系统的研究摘要：激光信息在大气中传输是目前大气光学领域最为活跃的研究热点之一。由于激光本身所具有的高强度、高相干性、高单色性和高方向性等特性，从而有容量大、波束窄、速度快、保密性好和抗干扰性强等优点，因此激光成为无线光通信中最理想的载体。本文概述了大气激光通信的基本原理及发展状况，介绍了其特点和用途。并以一种新型的具有以太网接口，能实现计算机间通信的大气激光通信系统（既可传输语音又可传输数据）为例，结合实验研究对发射端机和接收端机两大部分进行了阐述。并针对大气无线激光通信系统，本文深入地研究了大气湍流信道中随机光强信号的检测方法，对激光束在大气湍流信道中的传输进行了仿真和建模，并对实际的大气湍流信道进行了测量。关键词：大气激光通信光发射端机光接收端机损耗特性激光器一．激光通信的概述 1960年激光的出现极大地促进了许多学科的发展，其中也包括通信领域激光以其良好的方向性、相干性及高亮度性等特点成为光通信的理想光源。将激光应用于通信，掀开了现代光通信史上崭新的一页，成为当今信息传递的主力军。激光通信是以激光光束作为信息载体的一种通信方式，和传统的电通信一样，它可分为有线激光通信和无线激光通信两种形式。其中，有线激光通信就是近年来发展迅猛的光纤通信。无线激光通信也可称为自由空间激光通信，它直接利用激光在大气或太空中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、多媒体图像等信号的高速双向传递。这是目前国际上的一大研究热点，世界上各主要技术强国正投入大量的人力物力来抢占这一领域的技术优势。根据使用情况，无线激光通信可分为:点对点、点对多点、环形或网络状通信。在本文中，我们主要研究的是点对点的通信。此外，根据传输信道的不同，无线激光通信又可分为:大气激光通信、星际(深空)激光通信和水下激光通信川。大气激光通信是自由空间激光通信的一个分支，它以近地面大气作为传输媒介，是激光出现后最先研制的一种通信方式。大气激光通信系统主要由光源、调制器、光发射机、光接收机及附加的电信发送和接收设备等组成，只要相互进行瞄准即可进行通信。根据所用光源的不同，大气激光通信系统大致可分为半导体激光通信系统、气体激光通信系统和固体激光通信系统。半导体激光器体积小，重量轻，灵活方便，但光束发散角稍大，适合于近地面的短距离通信。气体激光通信系统的体积和重量都较大，但其通信容量也大，光束发散角较小，适合于卫星间的通信和定点之间的大容量通信。因此，在实践中，根据通信系统在不同应用场合中的要求，合理选取光源。大气激光通信系统的主要应用和优点

湍流的统计特性及对激光大气传输的影响

第4章湍流的统计特性及对激光大气传输的影响分析激光大气传输湍流效应本质上就是光在湍流大气中的传播问题。20世纪50年代前苏联学者Tatarskii引入Kolmogorov和Obukhov发展的湍流统计理论，求解湍流大气中波传播方程，取得的一些理论结果相当好地解释了在此以前所取得的实验结果，从而奠定的光波在湍流大气中传播的理论基础。然而，由于激光在湍流大气中的传播是一个十分复杂的随即非线性过程，特别是大气湍流存在的间歇性，对激光传输有着难以估计的影响。 4.1大气湍流的成因在大气中，任一点的大气运动速度的方向和大小无时无刻不发生着不规则变化，产生了各个大气分子团相对于大气整体平均运动的不规则运动，这种现象称为大气湍流。通常情况下大气都处于湍流状态，大气的随机运动产生了大气湍流，由于大气湍流的存在，大气温度和折射率也时刻发生着不规则的变化。形成大气湍流的原因大致有四点。第一，太阳的照射造成的大气温度差，太阳辐射对地表不同地区造成加热不同;第二，地球表面对气流拉伸移位导致了风速剪切;第三，地表热辐射产生了热对流;第四，伴随着热量释放的相变过程(沉积、结晶)导致了温度和速度场变化。图4.1形象的表述了湍流的形成。

上图是英国的物理学家形chardson描绘的湍流的一个级串模型，虽然湍流的运动很复杂，但通过上图仍能对湍流有一个形象的认识。上图表示湍流含有尺度不同的湍涡，而各种能量从大尺度湍涡一步一步向小尺度湍涡传递。外界的能量传递给第一级大湍涡，由于受风剪切等因素的影响，大湍涡逐渐变得不稳定形成次级小湍涡，小湍涡再次失稳后再形成更次一级的许多小湍涡。从图中可以看出，湍涡的大小有限，最大的湍涡的尺寸大小是外尺度 L，最小的湍涡是内尺度0l。尤其重要的是，这些大大小小的湍涡没有分散存在于大气中，而是交叉重叠的存在于大气中。 4.2 Kolmogorov-Oboukhov湍流统计理论虽然迄今为止人们对湍流的基本物理机制尚还不十分清楚，但已形成几个公认的基本概念，包括随机性、涡粘性、级串、和标度率。随机性构成了湍流统计理论的基础；涡粘性揭示了湍流相近尺度间的相互作用行为；级串给了我们最直观、最明晰的湍流图像；标度律则成为物理上定量研究湍流问题的数学手段。在直观的湍流现象中，Richardson首先给出了湍流的级串图：湍流中存在着不同尺度间的逐级能量传递，由大尺度湍涡向小尺度湍涡输送能量。第一级大湍涡的能量来自外界，大湍涡失稳后形成次级的小湍涡，再失稳后产生更次一级的小湍涡。在大雷诺数下，所有可能的运动模式都被激发。基于Richardson级串模型。Kolmogorov认为在大雷诺数下，这些不同尺度的湍

四种湍流模型介绍

由于航发燃烧室中的流动特性极其复杂，要想提高数值计算的预测能力,必须要慎重选择湍流模型。用四种不同的湍流模型对带双径向旋流杯的下游流场进行数值模拟,将计算结果与实验结果作对比，比较各湍流模型的原理和物理基础，优劣，并分析流场速度分布和回流区特性。涉及的湍流模型：标准k-ε湍流模型（SＫE) １标准k-ε湍流模型有较高的稳定性,经济性和计算精度，应用广泛,适合高雷诺数湍流，但不适合旋流等各向异性较强的流动。 2简单的湍流模型是两个方程的模型，需要解两个变量，即速度和长度。在fｌｕｅｎt中，标准 k-ε湍流模型自从被Lauｎdeｒand Spalｄing 提出之后，就变成流场计算中的主要工具。其在工业上被普遍应用,其计算收敛性和准确性都非常符合工程计算的要求。 3但其也有某些限制,如ε方程包含不能在壁面计算的项，因此必须使用壁面函数。另外，其预测强分离流,包含大曲率的流动和强压力梯度流动的结果较弱。它是个半经验的公式,是从实验现象中总结出来的。动能输运方程是通过精确的方程推导得到,耗散率方程是通过物理推理，数学上模拟相似原型方程得到的。应用范围：该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略,此标准κ－ε模型只适合完全湍流的流动过程模拟。可实现的ｋ-ε模型是才出现的,比起标准k-ε模型来有两个主要的不同点：·可实现的k－ε模型为湍流粘性增加了一个公式。 ·为耗散率增加了新的传输方程,这个方程来源于一个为层流速度波动而作的精确方程。术语“rｅalizablｅ”,意味着模型要确保在雷诺压力中要有数学约束，湍流的连续性。应用范围：可实现的k-ε模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的预测。而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现。可实现的k－ε模型和RＮG k－ε模型都显现出比标准k－ε模型在强流线弯曲、漩涡和旋转有更好的表现。由于带旋流修正的k-ε模型是新出现的模型，所以还没有确凿的证据表明它比ＲＮＧｋ－ε模型有更好的表现。但是最初的研究表明可实现的k-ε模型在所有k-ε模型中流动分离和复杂二次流有很好的作用。该模型适合的流动类型比较广泛,包括有旋均匀剪切流,自由流(射流和混合层）,腔道流动和边界层流动。对以上流动过程模拟结果都比标准k-ε模型的结果好，特别是可再现k－ε模型对圆口射流和平板射流模拟中,能给出较好的射流扩张。

fluent湍流模型总结

一般来说，DES和LES是最为精细的湍流模型，但是它们需要的网格数量大，计算量和内存需求都比较大，计算时间长，目前工程应用较少。 S-A模型适用于翼型计算、壁面边界层流动，不适合射流等自由剪切流问题。标准K-Epsilon模型有较高的稳定性、经济性和计算精度，应用广泛，适用于高雷诺数湍流，不适合旋流等各相异性等较强的流动。 RNG K-Epsilon模型可以计算低雷诺数湍流，其考虑到旋转效应，对强旋流计算精度有所提供。 Realizable K-Epsilon模型较前两种模型的有点是可以保持雷诺应力与真实湍流一致，可以更加精确的模拟平面和圆形射流的扩散速度，同时在旋流计算、带方向压强梯度的边界层计算和分离流计算等问题中，计算结果更符合真实情况，同时在分离流计算和带二次流的复杂流动计算中也表现出色。但是此模型在同时存在旋转和静止区的计算中，比如多重参考系、旋转滑移网格计算中，会产生非物理湍流粘性。因此需要特别注意。专用于射流计算的Realizable k-ε模型。标准K-W模型包含了低雷诺数影响、可压缩性影响和剪切流扩散，适用于尾迹流动、混合层、射流、以及受壁面限制的流动附着边界层湍流和自由剪切流计算。 SST K-W模型综合了K-W模型在近壁区计算的优点和K-Epsilon模型在远场计算的优点，同时增加了横向耗散导数项，在湍流粘度定义中考虑了湍流剪切应力的输运过程，适用更广，可以用于带逆压梯度的流动计算、翼型计算、跨声速带激波计算等。雷诺应力模型没有采用涡粘性各向同性假设，在理论上比前面的湍流模型要精确的多，直接求解雷诺应力分量（二维5个，三维7个）输运方程，适用于强旋流动，如龙卷风、旋流燃烧室计算等。！！！！！所以在选择湍流模型时要注意各个模型是高雷诺数模型还是低雷诺数模型，前者采用壁面函数时，应该避免使用太好（对壁面函数方法）或太粗劣（对增强函数处理方法）的网格。而对于低雷诺数模型，壁面应该有好的网格。另外fluent 对壁面函数除了有增强处理以外，还有非平衡处理。（FLUENT首选标准壁面方程组，它能很好的计算出以壁面为边界的流动情况。但是，当流体流动分离太大。以致于远远偏离了理想条件时，就不太适用了，在其他情况下，剪切应力及平衡假设大大限制了壁面方程的通用性。相应的，当近壁面流动处于高压之下时，当流动处于不平衡状态时，这些假设就不在成立了。不平衡方程组提供了处理以上情况的方法）非平衡壁面函数被推荐使用在包含脱流、回流和冲击的复杂流动当中。但是考虑到壁面函数的局限性（对近壁面的影响无效），壁面函数方法的局限性（y+应用于壁面函数）标准的壁面函数能够为大多数高雷诺数的边界限制流提供合理、精确的预测。而非平衡

大气湍流的复原

大气湍流的复原研究背景与意义 21 世纪以来，美国、欧空局、俄罗斯等空间科技强国都相继提出了新的空间发展规划。特别的，美国自特朗普上台后提出太空政策，加大对太空探索的投资力度，并积极开展多个民用太空项目。根据我国至2030 年空间科学发展规划，我国将建立以覆盖多个热点领域的空间科学卫星为标志的空间科学体系[1]，通过发展系列空间科学计划，牵引和带动我国在空间目标识别与监视、深空测绘乃至其他重要科技领域的创新与突破，推动我国高科技产业的跨越式发展。而对空间目标的姿态、形状、特征以及太空星体表面的地形地貌进行高精度识别与判读，都需要采用光学成像系统对其观测与监视，从而获取足够数量的影像资料，从这些影像资料中提取使用者所期望的感兴趣信息。由于地面受到太阳辐射作用，造成大气中分子和由悬浮粒子构成的离散混合介质的不规则热运动，使得大气呈现出非稳态性和随机性，这种现象称之为大气湍流现象。当光波穿过空间大气层时，由于大气中湍流介质中各处的压强、温度、湿度以及物理特性的随机变化，使得射出湍流介质的波阵面不再保持平面特性。因此，光学成像系统中的传感器透过大气对目标物或场景进行观测时，由于近地面的大气湍流强度在空间和时间上分布的差异，造成湍流介质内的空气折射率的随机涨落。这会导致光波到达像面的振幅和相位的随机起伏，从而导致光束扩散、波面畸变、像点漂移等现象[2][3]，使得目标在成像设备上会产生严重的模糊和降质。大气对成像系统的影响主要包括：1）空间对地高分辨率遥感观测中，卫星或航天飞机对地面目标进行跟踪和监视。2）在地基成像观测系统中，自适应光学望远镜对卫星、行星以及其他宇宙天体进行识别与探测。3）在高速飞行器成像制导系统中，使用激光器对目标实施打击的过程（如图1.1 所示）。由于大气湍流的干扰，飞行器上发射的激光束产生随机扩散与畸变，严重减弱了激光器的打击精度，因此有效的减弱大气湍流的影响，避免激光器的能量扩散和路径偏移是十分必要的。（a）美国战略导弹防御系统机（b）激光器打击导弹（c）理想情况下激光束的能量分布（d）受大气湍流干扰的激光束能量分布图1.1 美国战略导弹防御机系统在地基空间目标观测过程中，大气湍流扰动的存在，使得光学望远镜的分辨率不再由其理论衍射极限来决定，而取决于其大气相干长度。当光学系统对受到大气湍流干扰的光波进行成像时，其分辨率不会超过口径为0r 的光学系统衍射极限分辨率，其中0r 就是大气相干长度的大小[4]。0r 值越大，表示大气整体湍流强度越小。如果口径数米乃至数十米的光学望远镜在没有自适应补偿系统的条件下，通过空间大气层对近地卫星、行星或其他星体进行观测成像时，由于受到大气湍流的影响，其成像分辨率不会超过口径为分米级小型望远镜[5]，且获取的图像会出现模糊与抖动，这严重降低了观测图像的研究价值。针对大气湍流的扰动问题，目前研究人员提出了两种解决方案：1）发射太空望远镜（如美国哈勃望远镜、康普顿望远镜）。但是太空望远镜不仅造价和发射耗资巨大，而且出现故障不易检测和维护。望远镜如果没有补偿措施，在太空中会受到太空低温、失重环境导致镜面畸变，同样会观测图像出现模糊和降质。2）采用自适应光学补偿系统和波后复原技术。首先通过自适应光学系统对光波波前畸变进行实时补偿和校正，其后基于数字图像处理技术对目标受抑制的中高频信息进行恢复和重建，最终获得目标的高清晰图像。在遥感对地观测领域，由于大气湍流干扰、卫星平台的不稳定振动、传感器与被拍摄目标之间的相对运动、光学成像系统的离焦和散焦等因素，再加上传感器在数据传输、扫描成像时引入的噪声，都会导致遥感图像的降质和退化。然而研究人员希望获取纹理和边缘清晰、易

激光无线通信技术

激光无线通信技术激光通信是一种以光波作为“载波”，大气、海水或太空作为传输介质的通信方式，与利用电磁波作载波的通信原理一样，只是承载信号的载波是激光，其波长更短，频率更高。与传统无线通信和有线通信相对应的，激光通信也形成了无线通信及有线通信，军事通信所关注的主要是激光无线通信。激光无线通信具有电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、重量轻、功耗和体积小、保密性好等特点。保密性好的原因在于，一：激光具有高度定向性，发射波束非常短，通常发散角小于1弧度，在毫弧度级，二：信道速率高，能在短时间内大量发送数据，从而减少通信持续时间。波束窄使得抗干扰抗截获能力强，通信时间短的特点使得抗侦测、防窃听的能力强。另外，及激光通信的传输带宽宽，比较适合侦察图像等的实时传输。

美国航天局（NASA ）在2014年6月6日宣布，该机构5日利用激光束在3.5秒内把一段时长37秒的高清视频从国际空间站传送回地面，成功完成了一项“可能根本性改变未来太空通信的技术演示”，也预示着太空宽带时代的到来。这项实验的成功表明激光传输技术是可行的，完全可以作为下一步进行更高速率传输和实用性通信的技术基础。

应用及前景展望 1、用于提升星间通信速率卫星微波通信的极限通信速率在2Gbps左右，近年来通信速率提升困难。而激光通信技术可以轻松实现10Gbps以上的通信速率，采用复用的手段甚至能获得Tbps 以上的通信速率。如此高的通信速率，使得太空通信如同从拨号上网时代升级到了宽带上网时代。 2、用于能源成本较高的空间通信由于激光通信的光束发散角很小，大大降低了通信过程中信息被截取的可能性，目前还没有截获空间激光通信信息的可行手段，这使激光通信具有高度的保密性。而能量的高度集中,使得落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对应用于能源成本高昂的空间通信来说也是非常适用的。 3、用于水下通信此外，激光在水下通信中也有很大的应用空间，电磁波在水中的衰减程度较大，传统的无线电波想要穿透海水，必须使用频率极低的波段，携带的信息量十分有限，传输时间长。然而，研究发现，激光中存在一个频段——光波波长为450～570nm 的蓝绿光，海水对其吸收损耗较小，它通过海水时，不仅穿透能力强，而且方向性极好。因此，激光通信也是深海中传输信息的重要方式之一，可以用于对潜通信、探潜探雷、测深等领域。限制因素：但空间激光通信中的激光是在自由空间中传播，因此存在巨大的传输损耗。空间激光通信，尤其是星地间的通信，最大的限制就是经过大气层时受到湍流，及其他天气、环境因素的影响。其次，空间激光通信链路的距离从千公裡到数亿公里不等，并且链路之间不可能有中继放大，这与地面光纤通信千公裡的链路距离相比实现起来难度大得多。比如火星与地球之间的链路，由于距离太过遥远，激光的几何损耗极大，点对点的瞄准也更为困难。

第二章光在湍流大气中传输的理论概述

2.1 大气折射率在光学频率范围内，对流层（高度<17km）中的地球大气的空气折射率表示如下： n=1+77.6（1+7.52×10-3λ-2）（p/T）×10-6 （2.1）式中，p是以mbar为单位的大气气压，T是热力学温度，λ是以μm为单位的光波波长，由于地面上温度对n 1 （r）的贡献＜1%，故（2.1）式中忽略了与水汽压相关的项，当然这一项对水上传播光路是不可忽略的。 2. 2 大气湍流描述自然界中的流体运动存在着二种不同的形式：一种是层流，看上去平顺、清晰，没有掺混现象；另一种是湍流，看上去毫无规则，显得杂乱无章。例如，如果流体以一定的速度流过一个管子，我们可以用带颜色的染料对它进行观察，在流体速度低的时候，流线光滑面清晰，流体处于层流状态；不断增加流体速度，当流速达到一定值时，流线就不再是光滑的了，整个流体开始作不规则的随机运动，流体处于湍流状态。自从1883 年Reynolds 做了著名的湍流实验以来，以Monin-Obukhov 提出的相似理论、Deardorff 提出的大涡模拟、美国Kansas 州观测实验等为代表，大气湍流的研究已经取得了很大的进展和丰硕的成果，并在天气、气候研究和工程实际中获得成功地应用。湍流对大气中声、光和其它电磁波的传播具有极为重要的影响，例如湍流风速、温度和湿度的脉动都会引起声音散射和减弱，大气小尺度光折射率的起伏(称为光学湍流)，会严重影响光的传播和光学成像的质量等等。长期以来，以Tatarskii 的工作为代表，声光电传播的湍流效应大都是按照Kolmogorov 的均匀、平稳和各向同性假设处理的，而实际的湍流经常不满足这些假设，要建立更加完善的波动传播模型就必须考虑湍流的各向异性、以及间歇性的影响。 2. 3 折射率湍流模型在湍流大气中，折射率在不同地点、不同时刻都是变化的。一方面，我们还不可能对这些变化作出预测；另一方面，即使已知这些变化，要对所有时刻、所有地点的值作出描述实际上也是不可能的。因此，有必要用统计方法来描述这种介质。考虑到湍流大气的折射率是随空间、时间和波长而变化的，因此可用空间、时间和波长的随机函数来描述湍流大气折射率 n(r,t,λ ) = n 0(r,t,λ ) + n 1 (r,t,λ ) (2. 3.1) 在(2.3.1)式中，n 0是n的确定性部分，对湍流大气而言，可近似地取n ≈1 ,n 1 （r,t,λ）表示n(r,t,λ )围绕平均值E[n] = n ≈1的随机涨落。大气湍流可以用Kolmogorov 理论描述。大气中大的漩涡的能量被重新分配，随着能量损失，大的湍流的尺寸减小, 直到消散。n 1 的结构函数定义为

为什么说激光通信最保密

自上个世纪以来，由于通信技术发展极为迅速，中波、长波、超长波、短波、超短波以及微波通信以惊人的速度向前发展。然而事物的发展总是离不开矛和盾，随着电子通信技术的发展，电子对抗也就随之产生并发展起来了，电子侦察已成为现代作战获取情报的重要手段。无线电通信的电磁波犹如空气一样遍及全球，给敌方的无线电侦听带来了十分便利的条件，很容易泄密，给军事行动造成意想不到的损失。因此世界各国无不在保密方面狠下功夫，制定了各种保密措施防止无线电通信泄密。利用有线电通信的信号电流是沿着金属导线流动的，虽然比无线电通信保密，但也不是万无一失的。因为信号电流在导线周围会产生磁场，根据电磁感应原理：电生磁，磁生电，同样也很容易遭到敌方的窃听造成泄密。无线电波很容易被敌方接收，即使是加密的电波，在现代电子计算机技术充分发展的年代里也很容易被破译，于是人们感到必须改变传统的通信手段，才能适应保密的需要。１９６０年７月，光家族的新秀―――激光问世了，伴随激光的产生，一种新颖奇特的通信―――激光通信也进入了人们的视野。这位现代通信家族中的后起之秀，以其独有的通信容量大、保密性好、抗干扰能力强、通信质量好的特点给通信业的发展带来了明媚的春天，成为现代通信领域中引人入胜的“热门”。激光作为一种光波，虽然和电磁波有所不同，但是它仍属于电磁波家族中的成员，具有电磁波的特性，能在空间以波动的形式传播。但是它和电磁波又有区别，它的频率极高，具有奇特的粒子性。随着激光技术的发展，激光通信也出现了两种方式：一是“有线”的光纤通信；二是“无线”的大气激光通信。这两种通信方式都具有自己的保密特性。光纤通信是使光信号在极细的玻璃丝光缆中传播，光缆深埋地下、江、河、海底或敷设在管道中，不易被发现和破坏，尤其是玻璃丝不向外辐射电磁波，不会招惹是非，使截获和侦听无可乘之机。即使碰巧被发现，它也不像金属导线那样容易“旁路”窃听；弄不好纤细的玻璃纤维竟会立即断成几节，散落四处，使侦听的企图落空，可谓“宁碎不泄密”。大气激光通信中激光传输是一束平行而准直的细线，发散角小、方向性好，不像电磁波那样在空中到处乱窜，不掌握其传播方向是无法接收到它的信号的。即使发现激光通信信号，由于激光通信的频率极高，比微波的频率起码高１０万倍以上，用现代的电子设备无法侦听，难以截获和破译。因此看来，激光通信具有天然的保密性，它将给军事通信事业开辟崭新而广阔的天地。

第四章光在湍流大气中的传输时光强起伏分析

4.1 光强起伏（光闪烁）的定义及基本描述光强起伏（光闪烁）是大气湍流导致的最常见且最明显的光传输效应之一，激光在湍流大气中传输时其光强随时间变化而产生随机起伏的现象被称作为光强起伏（光闪烁），其原因是大气折射率起伏在导致传输激光相位变化的同时，也导致了传输激光的振幅起伏，进而产生散射强度起伏现象，更进一步的原因可认为是由同一光源发出的通过略微不同路径的光线之间的随机干涉所造成。经典理论认为：光闪烁由尺寸比光束直径小的大气湍流引起，它与湍流的内尺度、外尺度、结构常数及传输距离等因素有关，其幅度特性由接受平面上光强的对数强度方差σI2来表征： σI2=I2?I2 I2 （4.1）光束在湍流大气中传输时，对数振幅满足正态分布，振幅对数满足χ定义为：χ≡ln（A/A0），其中，A为在湍流中传播时实际的光波振幅，A0为未经过湍流扰动的振幅。设一对数正态分布为高斯随机变量（对数正态分布密度函数具有三个相对读了的参数：χ、σx、I0），其中对数振幅χ的均值为χ，标准偏差为σx，则其概率密度分布函数为： pχΧ= 2πσ ?χ?χ2 σχ （4.2）其振幅A=A0 expχ。引入概率变换： p A A=pχΧ=ln A dχ dA ,dχ dA =1 A （4.3）则振幅的概率密度函数为： p A A= 2πσA exp ?1 2σχ2 ln A A0 ?χ 2 ，A≥0（4.4）闪烁起伏概率分布满足对数正态分布的物理意义是：光场u=u0expχ+jsδ中χ是大量独立前向散射元的和，由中心极限定理可知χ服从正态分布。 4.2 光强闪烁的日变化大气的湍流运动导致信道上折射率的不均匀起伏，引起光强起伏，表征光强起伏强弱程度的主要特征量是对数光强起伏方差。它的定义： σln I2=ln I I0?ln I I02（4.5）其中ln I为瞬时光强的对数值：ln I为平均光强的对数值。在较好的天气下，光强起伏值从太阳出来后开始上升，到中午达到最强，视观察距离的不同起伏值也不同，如果距离很长，起伏值趋于一条直线，达到“饱和”。在这期间，视各地

大气激光通信机基本参数测试

大气激光通信机基本参数测试 2011/08/19 【产品介绍】此红外线传输设备为上海毅得通讯设备有限公司生产的AO-1系列，可以在300m 至4000m 之内保证高质量的宽带数据通信，通信速率为155Mb/s （11/13/14）和622Mb/s(12)，通信端机正面示意图如图1： Pin 探测器口径红光指示发射器图1 通信端机正面示意图通信端机背面示意图如图2：尾纤外置光源尾纤显示区 PIN 探测器显示区显示区域接线区域望远目镜图2 通信机背面示意图

图2中， TX：外接光源指示灯，灯亮表示正常 PW：电源接通指示灯，灯亮表示正常 LD1：指示红光指示灯，灯亮表示正常 LD2：内置光源指示灯，灯亮表示正常，内置LD6dBmW（4mW），发散角为0.8mrad。 PIN探测器显示区显示1023为最小，显示0000为最大，155M动态范围为：-4~-30db。电源红线接地，黄线接负极。 1.通信机信号光源发射端前功率使用3Sigma功率计及PM3探头，因为通信机光源发射端面处的光斑直径比较小（小于PM3探头面积），且功率小于4mW ，故将光直接打在PM3探头上分别测量信号光源发射功率，测试结果如表1：表1通信机信号光源发射端前功率 1号通信机相比2号通信机功率略小。产品说明中提到内置LD的发散角为0.8mrad，在做整体实验前，我们需要对其进行测量。在科技楼12楼楼道内，将通信端机置于楼道一端，因激光器有一定的发散角，（假定激光器束腰在距发射端口较近的距离下，在相距40m的距离处形成一定直径的光场分布（初步估计约约3~4cm）。我们采用3Sigma功率计及OP-2功率探头（直径5mm）对此处光场分布进行测量。）。在试验时，距离发射机端口有近及远测量中，发现在约40m处，OP-2（直径5mm）探头接收到的功率最大，说明激光器的束腰在该位置。要想测得其发散角需要进行远距离测试。 2.1（2）号指示红光与2（1）号接收口径轴线夹角

湍流理论发展概述

湍流理论发展概述一、湍流模型的研究背景自然环境和工程装置中的流动常常是湍流流动，模拟任何实际过程首先遇到的就是湍流问题，而湍流问题本身又是流体力学理论上的难题。对于某些简单的均匀时均流场，如果湍流脉动是各向均匀及各向同性的，可以用经典的统计理论来分析，但实际上的湍流往往是不均匀的，这就给理论分析带来了极大地困难。这也就引发了对湍流过程进行模拟的想法。对湍流最根本的模拟方法是在湍流尺度的网格尺寸内求解瞬态的三维N-S 方程的全模拟方法，此时无需引进任何模型。然而由于计算方法及计算机运算水平的限制，该种方法不易实现。另一种要求稍低的方法是亚网格尺寸度模拟即大涡模拟（LES），也是由N-S 方程出发，其网格尺寸比湍流尺度大，可以模拟湍流发展过程的一些细节，但由于计算量仍然很大，只能模拟一些简单的情况，直接应用于实际的工程问题也存在很多问题[1]。目前数值模拟主要有三种方法：1. 平均N-S方程的求解，2.大涡模拟（LES），3.直接数值模拟（DNS），而模拟的前提是建立合适的湍流模型。所谓的湍流模型，就是以雷诺平均运动方程与脉动运动方程为基础，依靠理论与经验的结合，引进一系列模型假设，而建立起的一组描写湍流平均量的封闭方程组。目前常用的湍流模型可根据所采用的微分方程数进行分类为：零方程模型、一方程模型、两方程模型、四方程模型、七方程模型等。对于简单流动而言，一般随着方程数的增多，精度也越高，计算量也越大、收敛性也越差。但是，对于复杂的湍流运动，则不一定。湍流模型可根据微分方程的个数分为零方程模型、一方程模型、二方程模型和多方程模型。这里所说的微分方程是指除了时均N-S 方程外，还要增加其他方程才能是方程封闭，增加多少个方程，则该模型就被成为多少个模型。

激光通信技术简介

激光通信技术简介日前，由美国国家航空航天局研发的“激光通信中继演示”系统即将进入开发整合与测试阶段。空间激光通信是指利用激光束作为载波，在空间直接进行语音、数据和图像等信息双向传送的技术。不仅传输速率高、抗干扰能力强，还具有设备体积小、重量轻、能耗低等特点，将为人类走向太空和空天军事技术应用带来革命性变化。未来，空间激光通信有望成为星地间数据传输的关键技术，并实现与地面光纤网络的互补，从而建立起包含卫星和大气层内外的立体交叉激光通信网，彻底颠覆现有的全球通信系统，成为满足大数据时代信息传输需求的大带宽高速通信网络。 “你好，世界!”这句看似普通的话，或将开启人类探索太空的新时代。这句话来自美国国家航空航天局录制的一段37秒的高清视频，跨越太空和大气层回传到地面用时3.5秒。虽然在如今的“4G时代”这个速率有些不值一提，但若不是采用了激光通信技术，传统的无线电传输则至少需要10分钟。从烽火狼烟到太空WiFi 传统的无线电通信技术有着自身不可避免的缺陷，不仅由于各种通信波段之间相互干扰会影响通信质量，想要在“寸土寸金”的航天器上增加天线面积和数量来提升通信效果也真的比“登天”还难。更为重要的是，随着空间通信数据形式的不断丰富，单纯的无线电通信已经难以满足急剧增长的通信带宽需求，易受干扰的无线电波也加剧了太空军事应用的风险。曾几何时，人们就曾利用“烽火狼烟”接力通信，将千里之外的边关战事信息第一时间传递至内地。从上个世纪60年代激光发明之后，利用激光进行无线光通信就成为研究的热点。说起激光通信，可能还有点陌生，但如果一提到光纤通信，我想大家都耳熟能详。其实，光纤通信只是激光通信的一个具体应用，是指激光在光纤介质中的传输。空间激光通信主要利用激光作为载体，将信息加载到激光上发送，并在外太空等自由空间内进行信息传输，到了接收端经过一系列光电变换就可实现信息的传输和通信。

湍流模型介绍

湍流模型介绍因为湍流现象是高度复杂的，所以至今还没有一种方法能够全面、准确地对所有流动问题中的湍流现象进行模拟。在涉及湍流的计算中，都要对湍流模型的模拟能力以及计算所需系统资源进行综合考虑后，再选择合适的湍流模型进行模拟。FLUENT 中采用的湍流模拟方法包括Spalart-Allmaras模型、standard（标准）k ?ε模型、RNG（重整化群）k ?ε模型、Realizable（现实）k ?ε模型、v2 ?f 模型、RSM（Reynolds Stress Model，雷诺应力模型）模型和LES（Large Eddy Simulation，大涡模拟）方法。 7.2.1 雷诺平均与大涡模拟的对比因为直接求解NS 方程非常困难，所以通常用两种办法对湍流进行模拟，即对NS 方程进行雷诺平均和滤波处理。这两种方法都会增加新的未知量，因此需要相应增加控制方程的数量，以便保证未知数的数量与方程数量相同，达到封闭方程组的目的。雷诺平均NS 方程是流场平均变量的控制方程，其相关的模拟理论被称为湍流模式理论。湍流模式理论假定湍流中的流场变量由一个时均量和一个脉动量组成，以此观点处理NS 方程可以得出雷诺平均NS 方程（简称RNS 方程）。在引入Boussinesq 假设，即认为湍流雷诺应力与应变成正比之后，湍流计算就归结为对雷诺应力与应变之间的比例系数（即湍流粘性系数）的计算。根据计算中使用的变量数目和方程数目的不同，湍流模式理论中所包含的湍流模型又被分为二方程模型、一方程模型和零方程模型（代数模型）等大类。 FLUENT 中使用的三种k ?ε模型、Spalart-Allmaras 模型、k ?ω模型及雷诺应力模型RSM）等都属于湍流模式理论。大涡模拟（LES）方法是通过滤波处理计算湍流的，其主要思想是大涡结构（又称拟序结构）受流场影响较大，小涡则可以认为是各向同性的，因而可以将大涡计算与小涡计算分开处理，并用统一的模型计算小涡。在这个思想下，大涡模拟通过滤波处理，首先将小于某个尺度的旋涡从流场中过滤掉，只计算大涡，然后通过求解附加方程得到小涡的解。过滤尺度一般就取为网格尺度。显然这种方法比直接求解NS 方程的DNS 方程效率更高，消耗系统资源更少，但却比湍流模式方法更精确。尤其应该注意的是，湍流模式理论无法准确模拟大涡结构，因此在需要模拟大涡结构时，只能采用LES 方法1。尽管大涡模拟理论比湍流模式理论更精确，但是因为大涡模拟需要使用高精度的网格，对计算机资源的要求比较高，所以还不能在工程计算中被广泛使用。在绝大多数情况下，湍流计算还要采用湍流模式理论，大涡模拟则可以在计算资源足够丰富的时候尝试使用。 7.2.2 Spalart-Allmaras 模型 Spalart-Allmaras 模型是一方程模型里面最成功的一个模型，最早被用于有壁面限制情况的流动计算中，特别在存在逆压梯度的流动区域内，对边界层的计算效果较好，因此经常被用于流动分离区附近的计算，后来在涡轮机械的计算中也得到广泛应用。最早的Spalart-Allmaras 模型是用于低雷诺数流计算的，特别是在需要准确计算边界层粘性影响的问题中效果较好。FLUENT 对Spalart-Allmaras 进行了改进，主要改进是可以在网格精度不高时使用壁面函数。在湍流对流场影响不大，同时网格较粗糙时，可以选用这个模型。 Spalart-Allmaras 模型是一种新出现的湍流模型，在工程应用问题中还没有出现多少成

大气湍流中光传播的数值模拟

大气湍流中光传播的数值模拟* 马保科1,2，郭立新1 吴振森1 （1.西安电子科技大学，陕西西安 710071 2.西安工程大学，陕西西安 710048 ）摘要光在大气湍流中传播时，受大气分子、气溶胶等粒子的相互作用，将发生光束扩展、漂移和相干性退化等大气湍流效应，这些因素严重影响了光波的远场特性。文章从大气湍流中光传播的理论研究入手，分析了如何构造较为合理的大气湍流相位屏。进而采用McGlamery 算法，对Kolmogorov 谱下的大气湍流随机相位屏进行了数值模拟，并分析了光波从发射机经湍流大气传播到达接收机时的远场变化特性。研究表明，大气湍流的存在对光的远场传播质量造成很大的影响，研究结果也为大气湍流中与光传播相关的工程应用及自适应光学技术的完善提供了参考。关键词大气湍流；McGlamery 算法；相位屏模拟；大气结构常数；中图分类号 TP391 文献标识码 A 1 引言大气湍流是一个相当复杂的随机媒质系统，虽然物理学界对湍流的研究已经历了相当漫长的历史，但因涉及的因素千头万绪，其间的相互作用和关系也错综复杂，人们对其物理本质至今未能做到较为清楚的认识。因此，光在大气湍流中传播问题的研究仍存在理论和实验上的挑战[1,2]。通常，当光在湍流大气中传播时，光束截面内包含着许多的大气漩涡，这些漩涡各自对照射到它的那一部分光束形成衍射作用，可导致光束的强度和相位随机变化，进而表现出光束扩展，大气闪烁和相位起伏等大气湍流效应，从而严重降低了接收机的接收效率。目前，突破大气湍流的影响仍是光在随机介质中传播所要解决的关键问题[3]。早在20世纪中期，苏联的Obukhov 便采用Rytov 平缓微扰法由实验反演湍流特征。在闪烁的饱和现象被发现之后，物理学界又将Markov 近似引入求解光场的统计矩，研究大气湍流下的光场特性[1]。然而，在中等起伏条件下，目前仍没有找到很好的解析处理方法。由于数值模拟能够从光的传播过程出发，较为清楚地反映出所涉及问题的物理本质，因而成为研究湍流效应的主要方法[4]。本文采用McGlamery 算法[5]，对Kolmogorov 谱下的大气随机相位屏进行了数值模拟，进而结合Huygens-Fresnel 原理，模拟了在有无大气湍流的情况下，接收机处光场的变化特性。 2 大气湍流中光的传播在折射率为n 的随机媒质中，一束波长λ，波数为k （2k πλ=）的单色波的电场E 由Maxwell 波动方程来描述[1,4] 222()2(ln )0k n n ?++??=E r E E (1) 收稿日期: 2010年3月14日收到修改稿日期：2010年月日基金项目：教育部科技重点项目（105164）通信作者: 马保科（1972），男，在读博士，副教授，主要从事随机介质中波传播方面的研究。Email: baokema2006@https://www.360docs.net/doc/cc16365185.html,

【CN109743106A】一种适合于大气激光通信的FTN速率传输方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910158419.2 (22)申请日 2019.03.04 (71)申请人兰州理工大学地址 730050 甘肃省兰州市七里河区兰工坪路287号 (72)发明人曹明华　武鑫　王惠琴　彭清斌　康中将　张伟　杨顺信　 (74)专利代理机构兰州振华专利代理有限责任公司 62102 代理人董斌 (51)Int.Cl. H04B 10/11(2013.01) H04B 10/079(2013.01) H04B 10/548(2013.01) H04B 17/382(2015.01) H04B 17/391(2015.01)H04L 25/03(2006.01) (54)发明名称一种适合于大气激光通信的FTN速率传输方法 (57)摘要一种适合于大气激光通信的FTN速率传输方法，该方法发端引入FTN技术，将QPSK信号转换成FTN信号，使符号速率大于Nyquist速率；收端利用数字信号处理(DSP)技术，即CMA线性均衡器技术，有效的补偿了引入FTN技术带来的码间干扰。相对于传统的QPSK传输系统，FTN技术的引入有效提高了大气激光通信系统的传输速率及频谱效率，并且改善了大气激光通信系统的误码性能，这对实际工程中移动通信系统的具体设计由一定的参考价值。权利要求书2页说明书7页附图5页CN 109743106 A 2019.05.10 C N 109743106 A

1.一种适合于大气激光通信的FTN速率传输方法，其特征在于，发端引入FTN技术构建大气激光通信系统，使符号速率大于Nyquist速率，从而提高系统的传输速率；接收端利用数字信号处理技术，即CMA线性均衡器技术，能有效的补偿了由FTN技术带来的码间干扰，实现了系统频谱效率的提高；计算湍流信道下FTN传输系统的平均误码率。 2.根据权利要求书1所述的大气激光通信的FTN速率传输方法，其特征在于，其步骤为：步骤1：在发送端，X、Y两路二进制信息序列首先被分别映射成QPSK信号x n 和y n ，再经FTN 成形滤波器后生成FTN信号x FTN 和y FTN ；其中，x n 、y n 分别为独立的复数符号，g(t)为信号脉冲波形，且k＝0,±1,±2,…，τ(0＜τ＜1)为加速因子；步骤2：两路FTN信号分别通过IQ调制器调制到激光上形成x(t)、y(t)两路偏振信号，再经偏振耦合器耦合后s(t)由光学天线发出；步骤3：假设光学接收天线接收的两路接收信号分别为r x (t)、r y (t)；两路光信号与本振光信号r LO (t)分别经过2×4 90°混频器、光电平衡探测器后形成四路电信号；将四路信号分别合并成r 1(t)、r 2(t)两路复数信号，再经匹配滤波器后分别进行ADC采样得到其中，E s 为脉冲能量，P t 为平均发射光功率，P LO 本振光光功率，h为光强衰落系数，η为光电转换系数， X、 Y两路信号噪声的相关性可表示为：对于噪声信号其方差为其中，G(f)为g (t)的频谱函数；假设理想情况下匹配滤波器完全匹配，则步骤4：将采样后的信号送入DSP模块进行处理，并恢复出用户信息，其中，均衡器采用CMA线性均衡器，主要目的是补偿合并后复信号间的码间干扰；经CMA均衡器输出判决变量为：权　利　要　求　书1/2页2CN 109743106 A

激光通信技术1解析

激光通信经历了大气通信和光波导（光纤）通信两个重要的发展阶段。早期的激光大气通信曾掀起了世界性的研究热潮，许多经济和技术力量雄厚的发达国家在这个阶段投入了大量的人力、财力和物力，对激光大气通信进行了广泛的研究开发。早期的激光大气通信所用光源多数为二氧化碳气体激光器、YAG固体激光器、He-Ne气体激光器等。二氧化碳气体激光器输出激光波长为10.6μm，此波长正好处在大气信道传输的低损耗窗口，是较为理想的通信用光源。与激光大气通信技术研究基本同步展开的还有光纤波导通信，从而在技术上形成了激光通信中与传统通信相对应的激光无线通信（激光空间通信）和激光有线通信（激光光纤通信）。 1975年，世界上第一条光纤通信实验应用线路在美国芝加哥开通，揭开了光纤通信应用的序幕。此后，随着光纤制作技术、半导体器件技术、光通信系统技术的不断完善和成熟，光纤通信从80年代起在全世界掀起了应用的热潮，并迅速被确认为是地面有线通信最有发展潜力的重要的通信手段，以致得到了一日千里的发展和推广应用。与此同时，激光大气通信技术由于器件技术、系统技术和大气信道光传输特性本身的不稳定性等诸多客观因素一时得不到很好的解决和弥补，便在轰轰烈烈的光纤通信热潮中，隐退得几乎无影无踪。 1.存在的主要问题一段时间以来，激光大气通信技术之所以难以得到应有的发展和推广应用，存在的主要技术问题是：对大气信道衰减大及误减随机变化量大的补偿技术问题;大气湍流的影响，使信道折射率发生不均匀的随机变化，其结果使接收光斑发生所谓的闪烁现象和漂移现象。要削弱大气湍流的影响，有许多技术工作要做；

驱动功率小、转换效率高、激光输出功率大、调制带宽及伺服系统简单的激光发射器件的制作；灵敏度高、噪声特性好，适合于常温环境下工作的接收器件的制作；体积小、重量轻、光学特性好、便于安装、调校的光学收发天线的制作；背景噪声的滤除技术问题；如果采用窄带光滤波技术，又是存在激光器的频率稳定技术；在机动性要求高和工作平台方位稳定性差的场合应用，自动跟瞄技术也很关键。上述可归纳为：解决全天候、高机动性和高灵活性稳定可靠工作问题。 2.悄然复兴的激光大气通信技术激光问世后，将激光应用于通信的想法就随之产生了。在国际上，美国、英国、日本、前苏联等国家，广泛开展了对激光大气通信的深入研究。然而，进入80年代中后期，国际国内大部分从事激光大气通信技术研究的单位相继停止了进一步研究。有的国家甚至还宣布了走激光大气通信研究的路是一条“死胡同”，“走不通”。尽管如此，国内外仍有单位和人员始终在坚持不懈、孜孜探求解决激光大气通信技术问题之路。 1998年，巴西AVIBRAS宇航公司公布了该公司研制的一种便携式半导体激光大气通信系统。这种通过激光器联通线路的军用红外通信装置，其外形如同一架双筒望远镜，在上面安装了激光二极管和麦克风。使用时，一方将双筒镜对准另一方即可实现通信，通信距离为1km，如果将光学天线固定下来，通信距离可达15km。1989年美国FARANT1仪器公司成功地研制出一种短距离、隐蔽式的大气激光通信系统。1990年，美国试验了适用于特种战争和低强度战争需要的紫外光波通信，这种通信系统完全符合战术任务的要求，通信距离为5~2km。如果对光束进行适当处理后，通信距离可达5~10km。