激光通信中大气闪烁引起探测噪声的计算机模拟

大气湍流效应是光通信系统中不可忽视的一个重要问题,主要表现为大气闪烁、光束抖动、光束漂移等,这些现象都给探测系统带来附加噪声,使系统的接收灵敏度下降。本文主要讨论激光大气传输中强度闪烁效应(大气闪烁效应)的理论基础,以及强度闪烁的计算机模拟。

大气闪烁对激光信号检测的影响

激光在大气信道中传输时，会受到大气闪烁的影响，从而造成激光检测系统性能不稳定。文中对大气信道中大气闪烁效应对激光信号检测的影响作了初步的分析和计算，并给出了在一定大气湍流条件下激光检测相应的变化。

激光大气闪烁的高频谱特性

采用三波长闪烁仪进行了大气边界层的光传输实验,结果表明:在相同的传播条件下,非平面波激光大气闪烁功率谱的高频部分与波长存在着一定的关系,功率谱无标度区间的斜率即标度指数是一个与湍流强度、波长等因素有关的函数,在满足弱起伏的条件下,标度指数一般与波长呈负相关,波长愈长则标度指数愈小,频谱下降的趋势愈快;波长愈短则标度指数愈大,频谱下降的趋势愈慢。

大气闪烁对无线激光通信效能的影响

由于大气湍流的存在,使激光信号在大气传输中产生振幅的随机起伏,称为大气闪烁。大气闪烁将引起激光通信误码率的增加。由光强起伏大小的统计规律和通信基本原理推导出了弱湍流条件下由光强闪烁引起的误码率计算公式,分别建立了地面水平链路和地-空斜向链路中的大气闪烁误码率模型,对模型进行了仿真,分析了湍流强弱、信号调制方式、链路距离、激光波长及地面发射仰角对闪烁误码率的影响,得到了闪烁误码率的变化规律。结果表明,通过合理选择信号调制方式、激光波长、站址位置及地面发射仰角等方式能够有效地降低大气闪烁误码率,提高通信可靠性。

利用双Gamma大气闪烁模型分析激光告警探测概率

针对激光告警系统属于小孔径、远距离弱信号和高探测概率探测的特点,分析和研究了大气湍流造成的激光信号的闪烁影响模型,探讨了大气闪烁效应对激光告警探测概率的影响规律。结合激光告警探测器的信号探测原理和探测器噪声分析,基于Andrews双随机起伏调制理论推导了适用于中、强大气闪烁双Gamma模型的激光信号大气传输和信号探测理论模型。根据仿真计算和结果分析指出,激光告警系统的探测概率不但是与探测器功率信噪比、探测器噪声、环境背景噪声和系统功率阈值等因素密切相关的综合函数,而且大气路径的闪烁效应也对激光告警系统的探测概率有明显影响。

C波段大气闪烁特性研究

本文介绍了在中纬地区进行的长时间大气闪烁测量实验，分析了闪烁幅度分布规律及其时间特性；结合当地气象数据，讨论了闪烁和气象的关系；从闪烁频谱的分析看出在小幅度闪烁时频谱密度衰减系数与闪烁指数Ｓ４及地面温度有一定的相关性。

大气闪烁对无线光CDMA通信系统性能的影响

将光CDMA技术应用到无线光通信中。提出了基于脉冲位置调制的二维大气无线光CD-MA通信系统,并分析了该通信系统的性能。考虑多用户干扰、APD噪声以及热噪声等干扰因素的影响,采用数值分析的方法,详细分析了大气湍流引起的大气闪烁对二维无线光CDMA通信系统误码率的影响。结果表明,大气闪烁是影响二维无线光CDMA系统误码率性能的一个重要因素;当大气闪烁的对数方差较小(如s2σ=0.1)时,该系统可以实现高速率通信;当大气闪烁的对数方差较大(2sσ≥0.2)时,在有限的光功率条件下,该系统难以实现通信,需要采用信道编码技术来提高系统的误码率性能。

大气闪烁的时间频域特性研究

为了深入认识大气闪烁的时间频域特性,给在大气中工作的光学系统的工程设计和性能评估提供参考,理论推导了大气闪烁功率谱的通用解析表达式,数值研究了不同传输条件下大气闪烁的时间频域特性。孔径接收下,对于水平均匀路径,平面波闪烁功率谱高频区近似呈现-17/3幂率,球面波近似呈现-11/3幂率;对于整层下行路径,高频区均近似呈现-17/3幂率,低频区与高频区之间存在一缓变区,孔径越大,缓变区越宽。典型大气条件下低频区加上缓变区的频谱宽度约为150 Hz。

大气闪烁对空间PPM光通信系统性能影响的研究

文章论述了空间PPM光通信系统的组成,仿真建立一个简单的PPM通信系统模型;根据Andrews关于大气闪烁的理论分析结果,仿真建立了大气闪烁模型;在上述模型建立的基础上,完成大气闪烁对PPM光通信系统调制解调性能影响的仿真,给出了相应的仿真曲线并完成了结果论证工作。

异常天气时C波段的大气闪烁

异常天气（雨，雪，雾）时的大气闪烁比晴空时大，且与雨强Ｒ有较好的相关性。但对于一场雨而言，这相关性不明显。异常天气时闪烁谱与晴空一样，均服从指数分布，且谱指数与闪烁指数Ｓ４有较好的相关性。

近地空间通信中的大气闪烁影响分析

利用单艇低仰角低空飞行试验测试数据,验证了Van de Kamp大气闪烁衰减估计模型在低仰角传输链路中的可行性和有效性,并基于该模型和低仰角低空测试数据反演得到近地空间数据估计值,对工作频率、轨道高度以及环境湿度等影响大气闪烁的因素进行计算与仿真,为低仰角近地空间远距离通信的链路预算提供了参考依据。

大气闪烁对纠缠相干态量子干涉雷达影响机理

介绍了量子干涉雷达物理模型及其探测原理,并采用耗散-涨落通道处理量子光场在湍流大气中的传输,从经典湍流统计理论推导得到大气透射率的概率密度分布函数P(T),以此为基础系统分析了大气闪烁效应对纠缠相干态量子干涉雷达的影响机理,深入讨论了平均大气透射率、闪烁指数等大气参数对系统目标探测性能的影响.研究发现:低损耗情况下系统灵敏度及分辨率性能随闪烁指数的增加而降低;高损耗情况下大气闪烁则能显著提高系统灵敏度和分辨率性能,且界定高低损耗的透射率临界点随脉冲光子数增加而增加,故大气闪烁能够在一定程度上克服大气损耗造成的不良影响.

激光通信大气闪烁引起的噪声仿真

激光束通过有湍流的大气传输时,其强度、相位和方向都会受到扰动而出现相应的随机变化。对于强度直检(ID/DD)系统主要干扰是强度的干扰,本文分析激光通信中大气闪烁引起的探测噪声的概率分布,并对其进行仿真。

激光大气闪烁统计特征的研究进展

综述了复杂地形条件下激光大气闪烁效应的实验及理论研究结果，包括实验数据处理方法、闪烁概率分布的极大似然模型、闪烁频谱特征系统分析方法、小波变换频谱分析方法、光波起伏频谱与湍流谱的关系，以及闪烁的间歇性等统计特征．

大气光通信中大气闪烁时间平滑效应研究

利用大气闪烁的时间平滑效应,增加光电探测器曝光时间是克服大气闪烁对大气光通信的瞄准、捕获、跟踪链路影响的有效途径之一。基于科尔莫戈罗夫谱,导出了弱湍流起伏区无限平面波和球面波的大气闪烁时间平滑因子的一般表达式,并且用几何光学近似得到了在大孔径和小孔径接收情况下的时间平滑因子近似表达式。在孔径远大于菲涅耳区尺度时,平面波和球面波的时间平滑因子的近似表达式与精确表达式的误差分别小于6%和3%。分析结果表明,孔径越小,时间平滑效应越显著,并且菲涅耳区尺度对时间平滑效应影响的程度也随着孔径的增加而减弱。

空间激光通信中的大气闪烁问题研究

介绍了空间激光通信中大气闪烁问题的研究进展;分析了激光大气闪烁效应对空间激光通信的影响.由于大气闪烁的影响,系统衰减裕量的设计需要增加10～20 dB,而且会增加精跟踪的难度;本文还阐述了减弱大气闪烁的方法,通过多发射天线、合适的激光波长、合适的接收天线口径、大于相干长度的发射天线间距和应用自适应光学系统,可以有效地减弱大气闪烁效应.采用单个发射天线单个激光器时,光强起伏很大,曲线更接近于指数衰减分布.随着激光器的数目增加曲线更接近于对数-正态分布.多个发射天线对于大气闪烁效应的减弱是相当明显的.考虑到设备复杂度,发射天线数目选择2～4个比较适宜.应用自适应光学系统减弱大气闪烁效应非常有效,本文简要分析了该方法的原理.接收天线的孔径对闪烁有平滑效应,接收孔径的设计应考虑到相干长度的大小.(OG11)

大气闪烁对相干态量子干涉雷达探测性能的影响

以马赫-曾德尔干涉仪为模型,分析了基于相干态光源的量子干涉雷达的探测原理,系统研究了由大气闪烁引起的光强起伏和大气损耗对量子干涉雷达性能的影响。将湍流大气视作耗散-涨落通道,结合经典湍流统计推导得到了湍流大气的透过率系数概率分布(PDTC)函数P(T)。利用P(T)分析了量子干涉雷达的灵敏度、分辨率,深入讨论了大气平均透过率T-A、闪烁指数β2D对其探测性能的影响。结果显示:高损耗环境中大气闪烁引起的透过率起伏能显著提高相干态量子干涉雷达的灵敏度。

复杂地形下激光大气闪烁与衰减的同步观测研究

在湍流大气中传播的激光强度起伏(闪烁效应)与衰减,作为随机介质中波传播研究的重要问题,一直受到人们的重视.影响该领域进一步发展的主要因素在于:目前仍没有解决随机介质中波传播问题的普适理论;复杂地形下影响大气湍流的因素较多,使得实际大气湍流状态十分复杂.因此,系统地开展复杂地形下光传播的实验研究,不仅能满足工程应用的需求,而且对理论发展具有重要意义. 湍流大气中激光强度起伏的强度、概率分布及频谱特征等特性均已被广泛、深入研究,但这些特性与激光大气衰减特性间的关系,至今未见报导.为此,我们研制了一套激光大气闪烁与大气衰减同步观测测量系统,采用光电倍增管作为探测元件,建立了背景测量装置.在合肥地区进行了传输距离为500 m复杂地形条件下的系统实验研究. 我们对光强起伏的强度、概率分布、频谱特征以及激光大气衰减等特性进行了初步实验研究,发现在不同天气条件下,每天固定的某一时刻的光强起伏特性与大气衰减特性具有不同的变化趋势与规律,并对产生这一不同变化趋势的原因进行了探讨.(OG16)

高斯波束地--空传播考虑大气湍流内尺度的闪烁指数分析

激光通信、跟踪、制导、雷达和高功率激光系统等研究均要考虑光波地-空路径传播大气湍流引起的闪烁.目前,主要对平面和球面波闪烁研究较多,对能更好表示激光束的高斯波束的闪烁研究还主要局限在水平视距传播.本文根据Andrews等给出的高斯波束视距传播考虑内尺度效应的闪烁指数模型,基于ITU-R推荐的C2n模型,分析计算考虑大气湍流内尺度效应的高斯波束地-空传播的闪烁指数,同时与平面、球面波和高斯波束视距路径的结果进行了比较.结果表明,无论是平面、球面还是波束波,地-空路径的闪烁指数都较地面视距传播的小;当波束半径W0≤0.001m时,其闪烁指数与球面波的一致,当W0≥0.1m时,与平面波一致,这与理论分析结果相同;在强湍流区,当W0≤0.05m时,波束波闪烁逐渐趋于球面波的结果,因此,在强湍流区,对于W0较小的激光,用球面波的闪烁指数可较好的近似其闪烁指数.

多束部分相干光通过强湍流对光强闪烁的影响

在Rytov方差的基础上,利用Andrews的唯像闪烁模型,推导出部分相干光通过强大气湍流后其对数光强起伏方差的公式,并用此公式对部分相干光通过强湍流后给光强闪烁造成的影响进行了仿真。其结果表明,当光源的相干性变差,即变为部分相干光后,对数光强起伏方差变小;当采用多束部分相干光时,接收面上光强起伏方差得到明显改善,而且光束越多,改善越明显。