强湍流下大气激光通信接收信号的自适应处理

目录

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摘要.........................................................................................................................................I Abstract......................................................................................................................................III 目录...............................................................................................................................................I 1前言. (1)

1.1大气激光通信概述 (1)

1.2国内外研究现状 (1)

1.3大气激光通信面临的关键问题 (2)

1.4课题背景及主要工作 (4)

2强湍流最佳阈值分析 (7)

2.1大气湍流与衰减 (7)

2.2大气湍流模型 (8)

2.2.1大气湍流描述 (8)

2.2.2湍流折射率模型 (9)

2.2.3折射率起伏功率谱密度 (9)

2.2.4大气湍流中光传输的理论模型 (10)

2.3大气激光通信的噪声 (13)

2.4大气激光通信在强湍流下的最佳阈值 (14)

2.5本章小结 (18)

3二维相关K分布湍流信道的建模和仿真 (19)

3.1修正SIRP模拟空间二维K分布湍流模型的方法 (19)

3.1.1模型介绍 (19)

3.1.2随机变量S产生及其各态历经问题 (19)

3.2相关矩阵A、B的讨论和仿真 (21)

3.2.1基于1-范数的空间相关性 (21)

3.2.2线性变换矩阵 (22)

3.3二维相关K分布湍流信道误时隙率的计算 (23)

3.4二维相关K分布湍流信道容量的计算 (24)

3.5仿真和实验 (24)

3.6本章小结 (27)

4强湍流自适应阈值的处理 (29)

4.1高阶累积量理论 (29)

4.1.1高阶矩与高阶累积量的定义 (29)

4.1.2高阶累积量的数学性质 (31)

I

西安理工大学硕士学位

II

4.1.3高斯过程的高阶累积量讨论 (32)

4.2湍流衰落的参数估计 (33)

4.2.1湍流K分布的协方差矩阵的估计 (33)

4.2.2湍流K分布阶参数ν和均值μ的估计 (36)

4.3二阶和四阶累积量的估计 (37)

4.4高斯噪声和相关系数的估计 (38)

4.4.1估计相关系数

I

ρ (38)

4.4.2估计高斯噪声参数

12

,

n n

σσ和相关系数

2

v

ρ (39)

4.5仿真分析 (40)

4.5.1延迟l和二阶矩估计值的关系 (40)

4.5.222

01

,,

I

ρσσ和

2

v

ρ与阶参数的关系 (41)

4.5.3仿真验证误码率随信噪比变化的情况 (43)

4.6实验研究 (43)

4.7本章小结 (45)

5总结 (47)

5.1全文总结 (47)

5.2今后工作 (47)

致谢 (49)

参考文献 (51)

附录 (55)

攻读硕士学位期间研究成果 (55)

硕士期间参与的基金项目 (55)

硕士期间所获奖项 (55)

前言

1前言

1.1大气激光通信概述

自由空间光通信（Free Space Optics，FSO）是人类通信史上较早出现的通信方式，古代的烽火台点火报信，就是以可见光为载体的光通信。自T.H梅曼于1960年发明激光以来【1】，光通信技术快速发展。近年来，随着半导体激光器和光电探测相关器件日趋完善，大气激光通信作为FSO技术之一迅速兴起，并受到民用和军用领域的高度关注。

近地面大气是大气激光通信传输信息的媒介，激光束是大气激光通信传输信息的载体。大气激光通信兼有光纤通信和无线电通信的优点，除了带宽大、成本低、架设方便外，还具有自身独特的优点：

（1）安全保密性能好：激光束很窄，在空中形成的业务链路具有很好的隐蔽性，很难被发现。另外激光束方向性强，信号的接收需要对准某一接收机，如果想截获信号，必须在视距内用另一部接收机接收，还需要知道如何接收信号，这会导致链路中断，用户很容易发现。因此，大气激光通信可以在物理层上保证安全性，这是光纤通信和一般无线电通信无法比拟的优势。

（2）抗干扰性强，数据率高：激光频率的量级为百THz量级，高出微波频率3-5个量级，如此高的频谱上，没有其他通信业务，因此具有很强的抗干扰性能，无需无线电频率使用许可。并且，如此丰富的频率资源，能够提供很高的数据传输速率，用于大容量数据传输。

（3）便于维护：在大气激光通信网络环境中，其透明的协议为大气激光网络环境添加用户节点带来了方便，无须改变大气激光通信的网络结构，只需要改变用户节点数量和配置即可。

然而，大气激光通信的缺点也是显而易见的。由于大气中存在雨、雾、雪、烟、尘各种颗粒，激光束传输时就会被吸收和散射，从而产生衰减。这种衰减是随机的，并且衰减范围大，无法预知，严重时会大大降低通信系统的可靠性，影响通信距离。另外，激光功率过高是会对人体产生危害，因此使用激光是必须严格按照相关标准。

现阶段大气激光通信在实际应用中还有很多问题亟待解决，但其保密性高，抗干扰强，接入方式灵活这些有技术优点得到了各方的高度关注，在电磁干扰强，地质灾害发生时需要紧急通信，对保密要求比较高的场合下，都拥有现阶段其他通信方式无可比拟的优势。

1.2国内外研究现状

从激光出现至今，大气激光通信技术的发展大致经过了高峰—低谷—复苏三个阶段。上世纪60-70年代是大气激光通信发展的研究高峰期，经济发达、技术力量雄厚的国家对激光在通信方面的巨大潜在应用充满了兴趣，成为无线光通信发展史上最辉煌的时期。1961年美国休斯公司和贝尔试验室分别用氮-氖激光器和红宝石激光器作了大气通信实验，上世纪60年代中期以后涌现出了许多大气激光通信实验系统，然而，当时各方面的

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