部分相干光的光强闪烁效应及到达角起伏效应研究

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

1.1大气激光通信概述 (1)

1.1.1大气激光通信的优势与不足 (2)

1.1.2大气激光通信系统的关键技术 (3)

1.2国内外研究历史与现状 (4)

1.3课题的研究背景及意义 (6)

1.4本文的研究内容与组织安排 (7)

2.大气湍流理论及其对激光通信的影响 (9)

2.1大气湍流的基本特性 (9)

2.1.1大气湍流的形成 (9)

2.1.2Kolmogorov理论 (10)

2.1.3大气湍流的统计特性 (10)

2.2大气湍流中光传播的分析方法 (12)

2.2.1Rytov近似 (12)

2.2.2Markov近似 (14)

2.3大气湍流对激光的影响 (15)

2.3.1光强闪烁效应 (15)

2.3.2光束漂移 (15)

2.3.3光束扩展 (16)

2.3.4到达角起伏 (17)

2.4本章小结 (17)

3部分相干GSM光束在大气湍流中的光强闪烁效应的研究 (19)

3.1部分相干光基本理论 (19)

3.2部分相干GSM光束模型 (20)

3.3部分相干GSM光在大气湍流中的闪烁效应 (21)

3.3.1理论推导 (21)

3.3.2仿真结果与分析 (23)

3.4多束部分相干GSM光通过大气湍流对光强起伏的影响 (27)

3.4.1多孔径发射的理论分析 (28)

3.4.2仿真结果与分析 (29)

3.5本章小结 (31)

西安理工大学硕士学位论文

4.光强闪烁对激光大气通信系统误码率的影响 (33)

4.1自由光通信系统的组成 (33)

4.2大气湍流对激光误码率的影响 (33)

4.2.1大气湍流引起的信噪比 (33)

4.2.2大气湍流引起的激光误码率 (34)

4.2.3仿真结果与分析 (35)

4.3大气湍流对部分相干光系统误码率的影响 (36)

4.4激光通信系统的常用调制方式 (37)

4.4.1开关键控（OOK）信号的产生与解调 (37)

4.4.2二进制相移键控（2PSK）信号的产生与解调 (39)

4.4.3差分相移键控（DPSK）信号的产生与解调 (40)

4.4.4.脉冲位置调制（PPM）信号的产生与解调 (41)

4.5仿真计算与分析 (43)

4.6本章小结 (44)

5.部分相干GSM光束在大气湍流中沿水平路径传输的相位和到达角起伏研究 (45)

5.1广义Huygens-Fresnel原理 (45)

5.2交叉谱密度函数 (46)

5.3水平路径传输时的相位起伏和到达角起伏 (47)

5.4仿真结果与分析 (49)

5.5本章小结 (52)

6.全文总结 (53)

致谢 (55)

参考文献 (57)

绪论

1绪论

1.1大气激光通信概述

1960年，世界上首台红宝石激光器的诞生为激光通信时代的开始拉开了帷幕。在此之前，人类已经拥有了悠久的利用光进行通信的历史。最早可追溯到公元前700多年的西周时期，那时传递军情所使用的烽火台，就是光通信技术最原始的应用，但在之后的很长一段时间里，光通信技术受到各种因素的限制而没有再前进一步。直到十九世纪八十年代贝尔发明的“光电话”标志了近代无线光通信时代的开始【1】。

二战期间，可见光电话得到进一步发展变为了红外线电话，这样对信息的保密有很大进步【2】。但是受到大气条件以及环境因素的影响，再加上日光、灯光等普通的可见光源性能较差，使得调制与接收很难实现，进而对无线光通信的继续发展造成不利影响。但1960年红宝石激光器的诞生，给光通信技术的发展带来了新的启发。相较于日光、电灯等普通光源，激光由于在单色性、相干性等方面的性能要好许多，再加上它的方向性好，功率大，所以传输距离远，且方便调制与接收。激光的出现及应用，为现代无线光通信技术的发展打开了一扇新的窗户【3】。

利用激光束来进行信息传输的技术叫作激光通信。在研究初期，人们以传输信道的不同为依据将激光通信划分为有线激光通信和无线激光通信两个概念，前者是指利用光纤等有线信道作为信息的传输媒介，即由英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)在二十世纪六十年代发表的关于传输介质新概念的论文中发展而来的光纤通信。而无线激光通信，即自由空间光通信(Free Space Optical communication，FSO)是一种将激光束作为信息载体，可以在空间、近地面、水下双向地进行数据、语音、图像等信息的传递的技术【4】。由于不需要人为的传播介质等优点曾引发了全球各个国家的研究热潮，大量的发达国家都投入了无数资源对激光大气通信进行了深入的研究，但是由于大气湍流会造成激光长途传播时相干度、亮度下降，光束发散和抖动以及其他许多物理上的性质改变，再加上当时器件技术落后等众多因素的限制，使得激光无线通信的研究工作在飞速发展的光纤通信研究热中渐渐消失。但是随着光电技术在近些年的不断发展，激光无线通信技术研究正在悄然复兴。

以近地面的大气作为信息的传输媒介进行通信的技术叫作大气激光通信。自从60年代第一台红宝石激光器出现以来，这种通信方式就被各个国家的研究机构列入了专题研究计划里，时至今日，研究人员们对它的研究还在继续进行中。大气激光通信系统主要由信源、调制/解调器、激光发生器、光学收发天线、信宿等部分组成，因为大气激光通信系统只需要将收发端的光束进行瞄准即可进行通信，所以将其实现在现实生活中的应用就具有极其重大的意义。但是，激光通信系统若是想要大量投入到实际应用中，大气湍流依旧是最为关键的限制因素。因此，深入研究大气湍流对激光通信的影响具有十分重要的价值。