自由空间光通信中极化码的应用研究

【目的】在自由空间光(FSO)通信中,大气湍流效应会导致通信链路性能下降。【方法】文章提出了一种极化码信道编译码方案,使用蒙特卡洛算法构造了针对FSO通信中常见的Gamma⁃Gamma分布大气湍流信道的极化码。比较了文章提出的极化码编译码方案与未编码以及相近码长的低密度奇偶校验(LDPC)码在Gamma⁃Gamma分布大气湍流信道下的误码率(BER)。【结果】仿真结果表明,所提极化码与未编码比较时,在弱湍流强度下,当信噪比>6.7 dB时,极化码方案性能相较于未编码更优;在中湍流强度下,当信噪比>10.3 dB时,极化码方案性能相较于未编码更优;在强湍流强度下,当信噪比>11.5 dB时,极化码方案性能相较于未编码更优。所提极化码与LDPC码比较时,在弱湍流情况下,当信噪比>7.1 dB时,极化码整体性能优于LDPC码;在中湍流条件下,当信噪比>10.6 dB时,极化码整体性能优于LDPC码;在强湍流条件下,当信噪比>12 dB时,极化码整体性能优于LDPC码。此外,在码长短、码率低和译码宽度小时,文章所提出的极化码编译码方案具有更优的性能。【结论】使用所提极化码编码后,有效改善了FSO通信系统中的大气湍流效应,而且在中、高湍流强度这两种恶劣的大气湍流信道环境中,文章所提方案展现出了比LDPC码更为明显的优势。表明在FSO通信中,极化码具有良好的发展前景。

理论自由空间重力异常处理在承德高原地区应用效果分析

布格重力校正方法中存在正常场校正的高程起算面误差、高程校正误差与地形和中间层校正误差,为避免传统布格重力校正方法中存在的误差影响,提高资料解释的准确性,本文采用了理论自由空间重力异常处理技术,对在承德御道口波状高原区的实测重力资料重新进行了处理。通过与布格重力异常的对比分析,对该方法进行了评价。研究结果表明,在波状高原地区,理论自由空间重力异常相较于布格重力异常能够较好地反映区域重力场的空间分布形态,对局部信息的展现也更加清晰、丰富,对构造形态表现更加合理、准确,根据不同的地质目的,合理选择布格校正和理论自由空间重力异常处理,可提升资料解释的可靠性。

自由空间内悬挂气泡破碎时的声学特性

气泡破碎是自然界和工、农业生产中常见的现象。气泡在破碎过程中因气流流动而产生强烈的扰动,导致破碎时产生强烈的气动声学。该文采用实验和理论相结合的方式对自由空间内悬挂气泡破碎时的声学特性进行了研究。研究发现:随着液体表面张力系数的增加,声发射的特征振幅逐渐增大;随着气泡半径的增加,声发射的特征振幅逐渐增大。理论计算结果与实验结果基本吻合。

自由空间光通信中的带符号光正交空间调制

【目的】针对光正交空间调制(OQSM)中频谱效率较低和系统吞吐量受限的问题,文章在自由空间光通信(FSOC)中提出了一种带符号的光正交空间调制(SOQSM)方案;另外,针对OQSM性能分析时所用信道不适合所有湍流的情况,文章采取适合所有湍流强度的Málaga信道对系统的误码性能进行分析。【方法】首先,该方案在发送端将输入的二进制比特流划分为5个部分,第1个部分用于星座符号映射,后4个部分用于激光器映射;然后,星座符号映射用于传输星座符号及其逆符号的实部和虚部;激光器映射分为同相相位与正交相位两部分,用于激活激光器的序列映射;最后,通过信道进行传输,在接收端进行信号的接收和处理。【结果】相比OQSM,SOQSM在一个传输周期内空间域额外携带了2log2 Nt比特的信息,并在符号域和空间域分别计算出平均误码率上界,最终得到SOQSM方案的平均误码率上界,其中计算平均误码率上界的方法具有较好的收敛性。该方案较大程度地提高了系统的频谱效率和传输速率,拥有较好的误码性能。【结论】蒙特卡洛仿真结果表明:在频谱效率相同时,相比光空间调制(OSM)和OQSM,SOQSM方案的误码性能更好,能在信噪比为16 dB时就达到10-6;当调制阶数相同时,SOQSM的误码性能更优,特别是在高信噪比时,仿真与理论契合度较高。在Málaga信道中弱湍流的误码性能更好;另外,不同湍流强度对SOQSM方案误码性能趋势的影响较小,但随着信噪比提高,影响会逐渐增大。因此,SOQSM相比OQSM和OSM具有更好的误码性能。

基于自由空间光的无人机通信网络关键技术与发展趋势

在当前电磁频谱拥堵和无线电干扰严重的情况下,基于自由空间光(FSO)的无人机(UAV)通信网络作为推进空天地一体化进程的重要一环,得到了学术界和工业界的广泛关注。与传统射频通信相比,FSO通信具有高数据传输速率、低时延和高安全性等优势。然而,FSO链路易受大气信道条件影响,同时UAV高移动性、网络高动态性以及机载资源的有限性给FSO的稳定连接与可靠通信带来了巨大挑战。因此,该文在介绍了FSO传输特性的基础上,着重分析了提升基于FSO的UAV通信网络稳定性与通信质量的关键技术,在此基础上,归纳出高可靠、强智能、长续航的发展趋势,以期为基于FSO的UAV通信网络发展提供参考与借鉴。

自由空间光通信中被动调制研究进展

【目的】传统的自由空间光(FSO)通信需要参与通信的两端同时安装激光发射系统、激光接收系统和捕获、追踪和瞄准系统,使得系统的重量、体积、功耗、设备复杂程度和技术难度被迫提升,限制了FSO通信的发展。而利用非对称空间激光通信链路构建的被动调制技术,能够实现通信端体积小、重量轻和功耗低的设计,为自由空间激光通信技术在中小型场景中的应用提供了便利。【方法】文章对被动调制的原理及其调制形式进行了阐述,介绍了逆向调制系统的组成和逆向调制器(MRR)的工作原理,对常见MRR如角反射器MRR和“猫眼”MRR进行了分析,并对波长的选择以及光学接收器口径的大小进行了探讨。【结果】总结了被动调制的不同实现类型和特点,概括了其在FSO通信中的应用,展望了该技术未来的发展方向和前景。【结论】被动调制在未来可沿着高速率、焦平面像素化、双向通信和相干检测等方向发展并且有较大的发展空间。

无相互作用自由空间电子光学与量子电子显微镜

本文围绕着生物等敏感样品的高分辨透射电子显微成像展开,从电子显微成像等方面论述了透射电子显微镜在敏感样品领域的发展,重点介绍了基于无相互作用测量(IFM)的量子电子相干成像机理,分析了自由空间电子光学中电子IFM对耦合相干电子源和耦合电子传输的要求,量子机制和电子显微镜相结合建立的量子电子显微镜能够从本质上解决高能电子辐照对生物等敏感样品的损伤,将成为敏感样品高分辨无损检测发展史上的里程碑。

双通道加密自由空间光通信系统

本文提出了一种基于压缩感知和倾斜光纤光栅的双通道加密自由空间光通信系统,不仅可以大量减少数据采集量,还可以对自由空间传输的数据进行加密,提高了系统的安全性。此外,我们的方案可以采用低带宽和低成本的光电探测器和模数转换器,降低了数据采集量和数据通信的成本。同时,本方案采用了一种倾斜角度为45°的倾斜光纤光栅同时作为空间光发射器、空间光侧面衍射器件和偏振敏感器件,加强了系统的集成度,降低了系统体积,同时提高了系统的能量利用效率。经实验表明,利用频率为1 GHz和3 GHz的正弦射频信号进行3.9 m的数据传输,在时域和频域的数据压缩比为16%和8%。

自由空间连续变量量子密钥分发的信道透射率起伏特性仿真研究

自由空间量子信道的透射率在连续变量量子密钥分发的安全性分析中扮演重要角色。自由空间中的大气湍流导致透射率随机起伏,从而影响连续变量量子密钥分发。现有研究的自由空间量子信道透射率数学模型缺乏大气湍流效应物理层面的综合考量,因此在精确表征透射率方面存在局限性。文中从大气湍流的物理本质出发,采用分步传输结合相位屏平板方法对自由空间量子信道进行数值仿真研究,并将仿真结果与已有的数学模型进行了对比分析。对自由空间量子信道数值仿真执行10~5次,计算透射率并进行数理统计,得到自由空间量子信道透射率的概率密度,结果表明,采用改进Von Karman大气湍流谱模型能够精确实现真实的自由空间量子信道,而采用Kolmogorov大气湍流谱模型仿真计算得到的自由空间量子信道透射率被高估,最大误差达到5.28%;将数值仿真精确实现的透射率概率密度与已有的椭圆光束近似模型和光束漂移模型进行比较,发现这些模型均低估透射率,与真实的自由空间量子信道情况存在一定差异。研究结果能够精确表征自由空间量子信道透射率的随机起伏特性,可用于准确评估自由空间连续变量量子密钥分发的安全性。

时变环境下的自由空间光通信系统信道建模研究

为了有效提升光通信系统信道传输效率,提出时变环境下的自由空间光通信系统信道建模研究。该方法基于通信时变环境,对光通信系统信号传播时的大气散射以及大气衰减特性分析。将大气散射系数以及大气衰减系数作为约束条件,结合光通信系统信道特性,获取光通信系统光源与接收器之间的距离,并计算系统接收端信号功率。通过上述约束条件以及距离、功率等参数建立信道冲击响应函数,实现自由空间光通信系统的信道传输模型的建立。实验结果表明,该方法模型与实际信道拟合效果好、信道模型效率最高达0.9以上,该方法的信道模型性能较高。

自由空间中平面电磁波的电场和磁场总是同相位吗?

几乎所有的教材,不论是中文教材还是英文教材,不论是《大学物理》《电磁学》还是《电动力学》,都认为自由空间中平面电磁波的电场与磁场总是同相位的.本文从麦克斯韦方程组出发,证明上述结论实际上并不总是正确的.一般情况下,只能说自由空间中平面电磁波的电场与磁场是“同步”的,可以同相位,也可以反相位,取决于坐标系的选择.

机器学习的时变环境下自由空间光通信系统信道建模研究

在时变环境下,传统模型只去除了部分通信串扰,传输损耗大,为此提出机器学习的时变环境下自由空间光通信系统信道建模方法。采用直方图统计法统计数据集的峰值、选择通信最短路径,遗传算法得到信道最佳参数,机器学习根据最佳参数计算通信阻抗,获得电容和电导值,对权值进行调整去除通信串扰,根据信道规模特性将天线域转换为波束域,搭建时变环境下自由空间光通信信道。仿真实验结果表明,本模型的传输损耗平均达到148 dB,具有较高的应用价值。

基于卷积-轮廓恒星图像算法的自由空间光通信系统调制方法

针对现有信号调制技术存在计算复杂、操作不便等缺点,该文提出了一种基于卷积-轮廓恒星图像算法的信号调制方法。传统轮廓恒星图像算法未能考虑单个样本点与全局样本点联系的缺陷,所提算法对其进行了增强;为解决增强后的方法计算量过大,引入了卷积运算和正交振幅调制方法。相关实验结果表明,所提方法在信号符长度为14000 bit时和图片分辨率大小为600 px×600 px时所需的运行时间分别为19 s和24 s,综合性能优于对比算法。因此,所提方法能够满足对自由空间光通信系统的信号调制性能需求。

自由空间光通信光学天线系统设计

文章专注于光学天线发射系统的理论研究与实际设计,通过缩放法来计算光学系统的初始结构。选择卡塞格伦系统作为研究对象,该系统由一个抛物面主镜和一个双曲面副镜构成。通过使用Zemax软件进行模拟,文章构建了一款卡塞格伦发射系统,其特点为体积小型化且像质优良。通过对系统结构进行优化,使得光斑弥散值为2.157μm,波前差为0.0166个波长,像质优良。模拟结果显示,该系统在5 km的距离上,发射功率可达174 MW,发射效率达到了87%。文章不仅提供了一种有效的光学天线设计方法,还对光学天线的实际应用有一定的指导意义。

级联RS码的自由空间光通信正交频分复用系统性能分析

为了有效抵御大气散射效应和提高频谱利用率，提出了自由空间光通信正交频分复用系统．由于大气信道的不稳定性，该系统在传输过程中导致误码率很高．将里德-所罗门码引入自由空间光通信正交频分复用系统中，对其进行了半实物仿真，仿真结果表明：当误码率为10^-2时，正交频分复用较开关键控性能优越4dB；在广延雨、平流雾、沙尘天等不同的天气条件下，当误码率为10^-5时，里德-所罗门（255，223）信道编码较未编码性能优越4～5dB．正交频分复用系统和里德-所罗门码的技术能降低系统的误码率．

PM2.5大气污染对自由空间量子通信性能的影响

近年来,PM2.5大气污染日益严重,不仅影响空气质量与大气能见度,而且还会对自由空间量子光信号的传输造成影响.然而,有关PM2.5与自由空间量子通信信道参数关系的研究,迄今尚未展开.本文根据PM2.5粒度谱分布函数及其化学成分的消光份额,提出了PM2.5指数、大气湿度与自由空间量子信道衰减的关系;针对幅值阻尼信道和退极化信道,分别建立了PM2.5污染程度与信道容量、信道平均保真度、信道误码率的定量关系.仿真结果表明,当大气湿度为30%,PM2.5指数分别为50和300时,自由空间量子通信信道容量、信道平均保真度、信道误码率分别依次为0.83和0.21,0.91和0.56,0.0048和0.0192.由此可见,PM2.5污染程度对自由空间量子通信性能有显著的影响.因此,为了提高自由空间量子通信的可靠性,应根据PM2.5大气污染状况,自适应调整系统的各项参数.

自由空间激光通信系统APT粗跟踪伺服带宽优化设计

复合轴APT控制子系统是自由空间激光通信系统中重要组成部分和关键技术,其中粗跟踪伺服单元主要完成高概率、快速捕获和高稳定、高精度跟踪。通过对影响粗跟踪精度的动态滞后误差、平台振动误差和CCD光斑检测误差进行理论分析与MATLAB仿真,并根据复合轴APT结构特性对粗跟踪伺服带宽进行优化选择,使其既能满足粗跟踪精度要求,又能使APT复合轴控制总精度达到最优,最后结合课题建立星际激光通信系统复合轴APT实验系统,实验结果与理论分析和仿真基本一致。

自由空间激光通信捕获控制系统

为了完成快速高概率的捕获,设计并构建了自由空间激光通信捕获控制系统,主要由主控计算机、GPS/INS捷联导航系统、数传电台和控制软件等部分组成。主控计算机采用嵌入式操作系统Windows CE,控制系统采用多线程同步技术和事件驱动方式处理多个通信串口的数据,减少了处理数据的延迟时间;同时,系统采用快速高精度指向算法,实现高精度的粗对准;使用复合光栅螺旋扫描方式和可对速度补偿的捕获算法,减少了捕获时间,提高了捕获概率。基于野外试验数据对捕获控制系统性能进行分析评估。结果表明,系统指向误差小于1°,捕获时间小于30s。目前,该系统已经研制完成并投入使用,效果良好。

自由空间光通信ATP系统中精瞄偏转镜的设计

二维精瞄偏转镜是自由空间光通信中捕获、跟踪和瞄准(ATP)系统的关键组成部分,对偏转镜进行了机构设计和有限元模态分析,偏转镜采用压电陶瓷驱动器驱动,采用柔性铰链传动。研制了集驱动、检测、主控模块为一体的数字式精密定位控制器,在实验室构建了两套测试系统,对偏转镜的频率和静态性能进行了测试,并着重介绍了频率的两种测量方法及其优缺点分析。仿真和测试结果表明,偏转镜的频率约为1.5 kHz,转角范围约为±2 mrad,精度约为1μrad,分辨率约为0.1μrad。

自由空间中偶极子云团极化散射特性研究:相干散射模型

根据相干散射模型 ,求得了偶极子云团的极化散射矩阵 ,并导出了偶极子云团散射截面的精确计算公式 ,它们能够反映出由于偶极子云团空间分布的变化而造成的散射截面起伏规律 ,原则上适用于一切偶极子云团 (包括在大气层内抛撒的情形 )散射截面的计算问题。