无线光通信中大气湍流噪声测量研究

光信号的强度闪烁、光斑漂移、光束扩展、到达角起伏等大气湍流现象会影响光信号在大气中的传输性能。本文将这种闪烁效应看作是光通信系统传输中的乘性噪声,推导了大气湍流乘性噪声模型,并进行了实验测量研究。结果表明:按照晴天、雾霾天、雪天、小雨天、中雨天、大雨天及阴天的顺序,湍流乘性噪声对光通信的通信质量影响加剧,大气折射率结构常数逐渐增大,噪声信号的偏斜度与陡峭度随之增加,导致光强信号的衰落概率变大;同时随着信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)的增大,系统的中断概率逐渐减小;而在相同的SNR下,中断概率随着大气折射率结构常数的减小而减小。研究大气湍流噪声对无线光通信系统的影响具有重要的意义,它为大范围、高速的无线光通信技术带来重要的技术突破,对无线光通信技术的发展起到重要的作用。

部分相干光在大气湍流中传输特性的研究进展

光波在大气中传播时,由于大气折射率的变化,导致光强闪烁、光束扩展和光斑漂移等湍流效应,严重影响激光通信、跟踪和成像系统的性能。部分相干光受湍流影响更小,因此其传输特性成为近年来的研究热点。本文总结了国内外部分相干光在大气湍流中的传输特性研究进展,同时介绍了西安理工大学在该领域的研究工作,主要包括光强分布、光束扩展、光束漂移、光强闪烁、到达角起伏和偏振以及散斑特性等,最后对该领域的发展方向进行了展望。

激光束光斑漂移反演大气湍流各向异性实验研究

设计了两束正交激光束光斑漂移的实时影像记录系统,进行了一系列的激光束大气传输外场实验,对比研究大气湍流环境下两正交方向激光束的光斑漂移,反演研究大气湍流的各向异性。实验结果表明,近地面大气湍流具有各向异性且表现为:一、与风向相关,当激光传输路径与风向夹角很小时,其垂直和水平方向的光斑漂移量会出现较大的差异,当激光传输路径与风向正交时,其垂直和水平方向光斑漂移量基本一致。二、与实时气温相关,表现为两正交激光束的光斑漂移量统计值在垂直和水平方向的四个分量中的不均匀分配,且气温降低会使不均匀分配的强度增加。分析研究成果,本文提出大气湍流各向异性强度指数A的概念,该指数的大小可以综合性的表征大气湍流各向异性特征及其强度。

基于两阶段运动伪影消除的心率检测算法

针对基于成像式光电容积描记术(IPPG)检测人体生命体征会产生运动伪影的问题,提出一种两阶段运动伪影消除的心率检测算法。所提算法使用基于特征点的人脸跟踪算法S-KLT(Scale invariant feature transformKanade Lucas Tomasi)稳定感兴趣区域(ROI),采用基于自相关的自适应滤波器抑制残余运动伪影。首先,采集视频,使用S-KLT追踪人脸ROI内的特征点,提取ROI内原始的IPPG脉搏波信号;其次,利用所提基于自相关的自适应信号滤波器对原始的IPPG信号进行噪声抑制,根据峰值检测算法计算心率(HR)值。实验结果表明,与腕式电子血压计实际测得的HR值相比,所提算法的均方根误差(RMSE)、平均错误率(EER)分别为2.98%、2.90%,符合美国医疗器械促进协会(AAMI)的标准,可以有效抑制运动伪影对HR值准确度的影响,为远程医疗和日常的健康检测提供了新的解决方法。

无线光相干通信智能信道均衡技术实验研究

宽带无线光相干通信通过信道均衡来抑制大气湍流产生的码间串扰。以湍流环境下的中频信号作为样本,分别采用反向传播(BP)神经网络和长短期记忆(LSTM)神经网络进行训练,将训练达到稳定的网络模型作为信道均衡器,以均衡器输出的中频信号作为系统性能评价指标并与自适应光学波前畸变校正算法进行比较。仿真结果表明,智能信道均衡算法对于系统误码率的改善优于自适应光学波前畸变校正算法。实验结果表明:采用BP神经网络信道均衡技术、LSTM神经网络信道均衡技术,以及波前畸变校正技术后,中频信号直方图的峰值分别位于0.49、0.38、0.38 V,相应的系统误码率分别为3.79×10^(-5)、1.64×10^(-4)和8.48×10^(-2)。智能信道均衡技术相比于波前畸变校正技术对于中频信号幅值随机起伏和误码率都有明显改善。

滑动平均法在MEMS陀螺信号趋势项提取中的应用

利用小波域多尺度数据融合算法对MEMS陀螺信号进行融合处理,由于陀螺信号中含有趋势项,导致融合值相比陀螺原始数据有时延。因此,利用滑动平均法先对陀螺信号进行趋势项提取,再对去除趋势后的陀螺信号进行融合处理,最后对融合结果进行趋势补偿。通过将陀螺仪放在单轴位置速率转台上让其做加速运动来验证方法的有效性,实验结果表明融合值未出现时延。最后将滑动平均法与多项式拟合法、经验模态分解法的提取结果进行对比。当采用滑动平均法时相对l2范数误差为0.000 89,三者中最小且小于0.12,而多项式拟合法与经验模态分解法的相对l2范数误差均大于0.12,证明了滑动平均法是一种提取信号趋势项的良好方法。

大气湍流下轨道角动量复用态串扰分析

以加载QPSK调制信号的轨道角动量(OAM)光束为传输载波,以多个相位屏模拟大气湍流,研究不同大气湍流强度下OAM复用态的串扰情况。通过对复用光束光强和相位研究,得出在OAM复用态光强受到湍流影响时会发生明显的闪烁现象,光功率分散,相位发生旋转弯曲,且湍流强度越大,受到的影响越大。选用螺旋谱分析不同湍流强度下各OAM复用态之间的弥散程度,当大气湍流强度增加时,OAM态之间的弥散程度增加,且较强湍流会导致OAM复用态失真。同时,考虑OAM复用态之间的模式串扰以及每路携带信息的OAM态因大气信道引起的混合噪声而造成的码间干扰,对比研究了不同大气湍流强度下系统误码率随传输距离的变化,结果表明:系统误码率随传输距离的增长而增大,强湍流之下光束误码率会随着传输距离增长到一定程度后趋于平稳,弱湍流之下光束误码率会随着传输距离的增长而增大。

Malaga大气湍流信道下副载波调制系统相位噪声分析

Malaga大气湍流信道下研究了系统解调模块的相位噪声对无线光副载波相移键控调制系统性能的影响。结合傅里叶级数及MeijerG函数性质,得到了Malaga大气湍流信道模型瞬时信噪比的概率密度函数,在Malaga大气湍流信道下推导了接收信号相位的傅里叶级数以及相位噪声影响无线光副载波MPSK调制误符号率的渐进表达式,在不同调制阶数和光强起伏方差下分析了相位噪声对系统误符号率的影响。数值结果表明,当相位噪声较小时,系统误符号率随着光强起伏方差增大而增大,相位噪声较大时,误符号率平层的出现受调制阶数的影响大于受湍流强度的影响,且随着调制阶数的升高,误符号率平层出现时所对应的平均电信噪比越低。

西安理工大学无线光通信系统自适应光学技术研究进展

总结了国内外自适应光学技术在无线光通信系统应用中的研究进展和技术分类,同时介绍了西安理工大学在该领域的工作,包括有波前测量的自适应光学系统、无波前测量的自适应光学系统、液晶空间光调制器波前校正、偏摆镜和变形镜组合的波前校正、空间光光纤耦合自适应光学波前校正等。自适应光学技术可有效修正无线光通信系统中由大气湍流引起的畸变波前,提高耦合效率和通信性能。虽然这些方法在理论分析和工程实际中尚不完善,但不失为人们在该领域进行的有益探索。

无线光通信系统中64-QAM调制实验研究

高阶QAM较BPSK／QPSK能在有限的带宽内能传输更多的信息量，因此广泛应于有线通信系统中。而对于无线光通信，大气湍流引起的光强闪烁效应对高阶QAM信号的影响很大，本文采用多模盲均衡算法克服此类噪声。系统仿真中使用Gamma-Gamma模型模拟大气湍流信道，对比了不同噪声情况下接收信号星座图的聚敛性，结果表明在传输过程中影响信号质量的主要因素是乘性噪声。最后搭建了64-QAM实验系统证明上述算法的可行性。

无线光通信类脉冲位置调制技术研究进展

调制解调是提高无线光通信传输效率的关键技术,不同的调制方式其性能也有所不同。类脉冲位置调制是指脉冲位置调制(PPM)、差分脉冲位置调制(DPPM)及其组合以及由此演变而成的各种脉冲位置调制方式。本文总结了国内外类脉冲位置调制的研究进展,同时介绍了西安理工大学在类脉冲位置调制方面所做的工作,主要对开关键控、脉冲位置调制、多脉冲位置调制、差分脉冲位置调制、重叠脉冲位置调制、双宽脉冲位置调制、双幅度脉冲位置调制、数字脉冲间隔调制、双头脉冲间隔调制、双脉冲间隔调制、双幅度脉冲间隔调制、定长数字脉冲间隔调制、定长双幅度脉冲间隔调制、缩短脉冲位置调制和分离双脉冲位置调制等调制方式在符号结构、带宽需求、平均发射功率、误时隙率和平均信道容量等方面的性能做了分析比较。最后展望了无线光通信的发展方向。

车联网可见光通信系统夜间背景光噪声模型

车联网可见光通信不仅受大气湍流影响,同时受交通灯、路灯、汽车前后灯和高亮度广告牌等背景光干扰,传统的光强闪烁模型不能准确描述.文中针对车联网可见光通信系统信道特性进行了分析,提出了一种采用双高斯函数叠加表示的夜间车联网可见光通信系统的背景光噪声模型,通过不同地区和不同天气下的实测数据采用该模型进行数值拟合,以验证该模型的有效性.结果表明,雨天的概率密度分布与晴天的概率密度分布没有明显的区别,且路灯光强起伏要小于其他光源产生的光强起伏.该模型对于车联网可见光信道模型建立以及噪声去除具有一定的研究意义.

轨道角动量叠加态的产生及其检验

带有螺旋相位分布的波束都具有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM),其螺旋相位取决于OAM态拓扑荷数。理论分析了叠加涡旋光束的相位及光场分布,然后将叠加态涡旋光束的相位分布图加载到空间光调制器上产生了多态涡旋光束,讨论了不同拓扑荷数叠加时光场衍射图的分布情况。实验结果表明,叠加态的涡旋光束光场衍射图随着叠加光束拓扑荷数的正负以及数值而呈一定规律性变化,即当叠加的两束光拓扑荷数为异号时,衍射产生的光斑数为两束光拓扑荷数绝对值之和;当叠加的两束光拓扑荷数为同号时,衍射产生的光斑数为两束光拓扑荷数之差的绝对值。通过此性质可以检验涡旋光束的拓扑荷数,为叠加涡旋光束在自由空间光复用通信系统的拓扑荷数检测提供了新的方法。

声波扰动激发湍流效应的研究

声波扰动能影响大气折射率结构常数,激发大气湍流效应.文章结合声波方程和Kolmogorov湍流模型的"2/3定律",分析了声波激发功率和大气折射率结构常数之间的数值关系,分析了波长、温度和压强对大气折射率指数的影响.结果表明:压强的变化对大气折射率指数的影响最大,其次是温度,波长的影响最小.在标准大气压下,光波长为0.65μm,声波扰动功率小于30 kW时,声波在距离声源1 m左右产生的大气折射率结构常数量级在10^(-17)上下波动,属于大气弱湍流效应,表明声波扰动能产生湍流,激发湍流效应.

受激布里渊散射波前畸变校正仿真实验

采用受激布里渊散射(SBS)现象的自泵浦相位共轭镜(PCM)特性在改善激光相位分布进而提高光斑能量集中度方面具有重大应用价值。基于后向SBS散射光的相位共轭特性,数值模拟了不同畸变程度和不同取样孔径对SBS-PCM校正效果的影响,并搭建SBS-PCM波前畸变补偿实验系统,对不同影响因素的补偿效果进行验证。仿真及实验研究结果表明:在弱畸变情况下光斑经系统补偿后相对强畸变情况分布更均匀规整,光斑能量集中度更高;在强畸变情况下大取样孔径显示出优势,校正效果更佳。仿真和实验结果均表明,SBS-PCM有较强波前畸变校正能力。

面向无线光通信的大气湍流研究进展与展望

以无线光通信为切入点,首先对大气湍流的研究进展进行了阐述,解释了大气湍流及其产生的机理与传输特性.然后分析了大气湍流所引起的光束扩展、光束漂移、光强闪烁等对无线光通信的影响.最后结合无线光通信实际,给出了作者关于抑制大气湍流的若干设想,介绍了西安理工大学在大气湍流抑制领域的实验工作.虽然该方法在理论分析和工程实际中略显不为成熟,但不失为人们在该领域所进行的有益探索.

高阶径向拉盖尔-高斯光束叠加态的实验研究

利用径向指数相同、拓扑电荷数互为相反数的两束高阶径向拉盖尔-高斯光束共轴叠加,产生了一种新型的复合涡旋光束,从理论上研究了这种复合涡旋光束的光强分布特性以及空间传播特性,并进行了实验验证。结果表明:由高阶径向拉盖尔-高斯光束叠加而成的复合涡旋光束呈多层亮"花瓣"状;当束腰半径相同时,随传播距离的增加,其光强分布呈展宽趋势但不旋转;当束腰半径不同时,其光强分布发生旋转,并出现"旋转拖尾"现象,旋转方向和"拖尾"方向取决于拓扑电荷数正负及束腰半径大小。研究结果对深入理解复合涡旋光束的产生并进一步拓展其应用范围提供了实验依据。

多MEMS陀螺数据融合方法切换方案

为了解决小波域多尺度数据融合算法在处理微机电系统（MEMS）陀螺仪动态数据尤其是含有跳变数据时融合结果相比较原始数据有时延等问题,提出一种将小波域多尺度数据融合和最优加权递归最小二乘融合相结合的融合方法切换方案。方案利用累积和控制图算法和预设阈值来判断陀螺信号是否跳变作为融合方法的切换条件,并且利用多MEMS陀螺数据融合处理系统进行了验证实验。实验结果表明,采用该方案后,使原先单一使用小波域多尺度数据融合带来的问题得到解决,证明了方案的有效性。

基于改进的Relief F多生理信号情绪识别算法

针对单一生理信号特征信息不足以及个体特异性与全局阈值不匹配导致的情绪识别正确率低的问题,提出了一种改进的Relief F匹配多生理信号特征选择算法。通过小波包分解多生理信号并重构与情绪相关的6个波段,以及经验模态分解提取基于小波系数和重构信号本征模函数分量的8类特征;使用Relief F算法先获得优选特征组,再构建优化特征组权重获得全局最优匹配特征组,以及与其对应的匹配通道;并采用概率神经网络结合全局最优匹配特征组训练情绪分类模型。结果表明:该方法能够较好地对愉悦、愤怒、放松、悲伤4类情绪进行分类,其平均识别正确率分别为90.89%、85.39%、82.81%、87.56%,对比单一生理信号平均提升了1.76%,验证了此方法的有效性。

一种移动终端可见光数据收发系统的设计与实现

为了简化现有基于二维码的移动设备可见光通信编解码技术,本文采用了在数据传输上较有优势的JSON格式。结合JSON的特点和快速响应二维码(QR)的特征,深入研究了二维码的编解码技术并设计了基于二维码的动态可见光通信系统的通信方案。发射和接收单元通过使用Android智能设备的屏幕和摄像头来实现。先对待传输的数据进行处理,再对处理后的数据进行编码,由摄像头捕获并解码出原来的数据,对解码出的数据进行重组最终获得原始数据。测试结果表明,该系统能动态发射QR码图像,经过解码及后续数据处理,能将待传输的数据正确地解析出来。本文最后定性地分析了影响系统吞吐量的因素。