探测大气湍流的光强闪烁激光雷达

基于残余光强闪烁理论,分析了与大气湍流探测有关的激光雷达各项硬件参数并获得参数的优化范围,据此研制了一台用于大气湍流探测的光强闪烁激光雷达。背景基线、线性特征等性能测试表明,激光雷达各硬件工作正常,数据获取可靠。实验测量中获得了水平方向上闪烁指数和大气折射率结构常数随探测距离和时间的变化趋势,其中闪烁指数在450～2000m探测距离范围内由0.001逐渐增大至0.350左右;大气折射率结构常数基本保持水平均匀性,在1.0×10-16～1.0×10-15 m-2/3范围之内;大气折射率结构常数在10:00～21:00时间内大致呈现上午上升、下午下降、晚上上升的变化趋势,具有较明显的日变化特征。实验结果与理论和常规测量较为相符,表明光强闪烁激光雷达能够获取大气湍流的探测距离变化和日变化特征信息。

近地面湍流大气中激光传输的光强闪烁分析

光学湍流对激光的大气传输有着重要的影响,其中光强闪烁是湍流效应中最基本也是最重要的一个效应,一直是一个十分令人关注的问题.在处理激光在湍流大气中传输的光强闪烁效应时,认为光强闪烁是由大尺度光强起伏对小尺度光强起伏的调制,并对其调制过程进行了讨论.基于光强闪烁的调制理论,对近地面典型条件下激光大气传输的光强闪烁指数及其影响因素进行了分析.

湍流大气中光强闪烁对光通信链路的影响

给出了用大气传输通信设备进行传输距离 3.4 km外场试验光强闪烁对光通信链路影响的实验结果 。

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的对数光强起伏方差,并在此基础上进行了仿真。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通过大气湍流时,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。但利用部分相干光通信时,传输距离受限制,所以,光源的相干参数选择要适当。

光强闪烁对大气激光通信系统误码率的影响

作者对大气湍流引起的光强闪烁进行了简要的分析,从光波通信系统误码率的计算公式出发,忽略系统其它噪声,仅考虑光强闪烁对系统误码率的影响,给出了光强闪烁下的大气激光通信系统误码率的计算公式,并进行了数值仿真分析。

大气湍流双广义Gamma分布光强闪烁序列模拟方法研究

自由空间光通信中,大气湍流引起的光强闪烁会严重影响通信性能。为了减缓湍流引起的闪烁效应,根据湍流引起光波闪烁的时域特性,给出了一种闪烁动态序列模拟方法,其统计特性可用于自由空间光通信对抗湍流效应的研究。利用一种新的可描述不同湍流强度下光强闪烁的统计模型—双广义伽马分布和大气湍流信道时间协方差函数,应用有色光谱非高斯信号产生算法,建立了可以反映接收光强动态特性的时间序列模型。在考虑光通信系统的瞄准误差时,分析了不同湍流强度下光强闪烁的时间序列模拟,与理论结果吻合较好,且给出了联合概率密度下的平均误码率公式。利用产生的时间序列,对通信系统中的平均误码率和中断概率进行分析。

太阳风湍流强闪烁信道下BPSK误码率闭式近似

由太阳风湍流引起的航天器对地链路上的信号强度波动会降低遥测性能,建立可靠的深空通信链路是至关重要的.文章通过分析太阳风引起的遥测信号幅度闪烁特性,建立了遥测链路太阳风湍流强闪烁信道K分布模型;利用Laguerre正交多项式,完成信道K分布近似,并给出了太阳风湍流强闪烁信道下二进制相移键控(binary phase shift keying,BPSK)误码率闭式近似.数值计算表明,闪烁指数对误码率影响很大,Laguerre多项式拟合参数β影响太阳风湍流强闪烁信道K分布近似和误码率,选择较小的值有利于降低K分布近似的KL散度和误码率;同时,选择更小的参数b,即β也更小,有利于降低遥测系统误码率.

阵列光束在湍流大气中传输的光强闪烁研究进展

相比单束光,阵列光束由于各光束之间互不相干,可以减小大气湍流引起的接收光强起伏。特别在激光照明和通信等应用场合中,非相干合成光束可以明显提高照明均匀性和减小通信误码率。简要介绍了相干合成阵列光束在湍流大气中传输的光强闪烁研究进展。针对非相干合成阵列光束在减小光强闪烁的优势,回顾了非相干合成阵列光束在激光主动照明、星地激光大气通信方面的实验研究结果;详细总结了子光束为不同类型的非相干合成阵列光束的理论研究方法和结果,包括不同波长光、基模高斯光、部分相干高斯光和艾里光。实际中子光束一般为部分相干光,它们互相之间存在相干性。提出了下一步应深入开展研究的问题为阵列光束大气的光强闪烁。

部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应

以修正Rytov方法为基础,利用部分相干高斯-谢尔(GSM)光束模型并结合Andrews的唯像闪烁模型,研究部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应。推导出适用于不同湍流情形的部分相干光对数光强起伏方差表达式,系统分析了部分相干光在大气湍流中的光强起伏方差。结果表明:在同等的湍流环境下,部分相干光比完全相干光的光强起伏方差要小;光束相干性越差,光强起伏越小,抗湍流能力越强。在不同大气湍流情形下,光源相干性、大气折射率常数等参数对光强起伏都有不同程度的影响。

艾里光束的光强闪烁研究

基于Rytov方法并采用von-Karman模型对艾里光束的光强闪烁进行了分析。根据接收器接收面上光强度分布不均匀的现象,提出了艾里光束的面光强闪烁模型,推导了艾里光束在大气湍流中的面光强闪烁的表达式。数值仿真结果表明:当光束宽度一定时,相同光束传播距离下指数截断因子越小,光强闪烁越小;当传播距离为3km、指数截断因子为0.2时,艾里光束的宽度约为1.6cm,光强闪烁最小。此外,光源强度和接收光强相同时,将艾里光束与高斯光束进行了对比,发现艾里光束的光强闪烁小于高斯光束的光强闪烁。

西安地区夜间大气湍流及光强闪烁特性实验研究

设计了闪烁法测量大气折射率结构常数C_(n)^(2)的实验系统,基于晴、阴、雾霾3种不同天气条件,在西安地区搭建了通信距离为2.5 km的外场试验,分析了西安城区夜间湍流变化趋势,及光束的光强闪烁统计特性。实验结果表明:在晴天、雾霾天和阴天下,随着天气情况依次变化,实验测量得到的光强闪烁指数对应的大气折射率结构常数C_(n)^(2)数值不断降低,光强起伏程度也按顺序减弱,但其整体变化趋势都相同,在晚上7时开始快速变化,并在大约半小时后,达到夜间的极小值;受孔径平均效应的影响,指数威布尔分布更接近实验条件下的光强闪烁概率分布,并且拟合优度均大于0.96。文中对夜间湍流变化趋势的分析和光强闪烁概率分布的讨论对研究该地区无线光通信系统的信道具有一定的参考价值。

特殊关联阵列扭曲光束在大气湍流中的光强闪烁

相干和相位是光波的基本特性,它们之间是相互影响的。本文首先基于部分相干光束的模式分解理论,严格证明了谢尔模高斯阵列关联结构可以携带扭曲相位,并提出了一种特殊关联阵列扭曲光束,且本文所用证明方法具有一定的普适性。随后,针对光束在大气湍流传输中引起的光强闪烁,采用张量方法推导了特殊关联阵列扭曲光束在大气湍流中的光强闪烁解析式,详细分析了光源各参数对光强闪烁指数的影响,研究表明增大光源的束腰宽度、增大扭曲因子、调控谢尔模高斯阵列关联结构可降低大气湍流引起的光强闪烁。本文得到了一种有效抑制大气湍流光强闪烁的严格物理数学光束模型,研究结论有助于优化部分相干光束在大气湍流传输的整体性能,在自由空间光通讯、激光雷达、遥感成像等领域具有潜在的应用价值。

光强闪烁对空间激光授时抖动的影响

基于多相位屏原理并利用功率谱反演法,建立了光强闪烁对脉冲到达时刻抖动的影响模型,仿真研究了不同接收孔径和不同传输距离条件下脉冲到达时刻抖动的变化规律。仿真结果表明:在孔径接收条件下,脉冲到达时刻抖动呈正偏态分布;采用大孔径接收天线可有效抑制脉冲到达时刻的抖动;与近地端相比,传输距离的变化对远地端脉冲到达时刻抖动的影响较小。搭建了大气湍流引起的脉冲到达时刻抖动的实验平台,采集了经过湍流信道传播的秒脉冲波形,利用门限检测法确定了脉冲到达时刻。实验结果表明,脉冲到达时刻抖动分布与理论分析结果相符。

内尺度对光强闪烁激光雷达测量结果的影响

利用Kolmogorov谱、修正Hill谱和Rytov改进模型三种大气湍流功率谱模型,得到了光强闪烁激光雷达探测路径上闪烁指数与大气折射率结构常数之间的关系。分析了不同内尺度下大气湍流强度的变化情况,并与不考虑内尺度的情况进行了比较。结合实验数据对比分析了内尺度对光强闪烁激光雷达在探测大气湍流时的影响程度,结果表明在内尺度的取值变化范围内,采用修正Hill谱时,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达9,实验中传输距离为1020 m和2040 m的传输路径上两者最大偏差为0.4和0.1个量级;Rytov改进模型下,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达6,实验中同样传输路径上两者最大偏差为0.6和0.3个量级。理论和实验结果表明:有限内尺度的折射率结构常数测量结果在一定程度上偏离不考虑内尺度的折射率结构常数,且影响程度与激光传输距离和内尺度的大小有关。因此,在光强闪烁激光雷达的大气湍流探测过程中,必须考虑内尺度效应。

12.7 km水平信道空间激光通信闪烁抑制

大气湍流引起的光强闪烁效应会导致信噪比下降,严重影响自由空间光通信的正常工作。空间分集技术能够有效克服这种影响,为抑制12.7 km城市水平信道大气湍流光强闪烁,设计了空间分集接收发射系统,并对分集接收的最大比合并、等增益合并和选择合并方案的抑制效果进行了对比,结果表明等增益合并方案工程实现简单,抑制效果明显,相比于单路信号闪烁指数可降低至40.1%。最后,根据全天闪烁指数变化反演了大气折射率结构常数变化,与PAMELA模型的模拟结果对比,趋势相符。研究结果对提高自由空间光通信质量有着重要意义。

基于Shack-Hartmann波前传感器的湍流大气光闪烁测量

根据CCD探测器的输出信号在动态测量范围内与入射光通量成线性的特点,提出了将Shack-Hartmann波前传感器用于湍流大气光闪烁效应测量的方法,并在1 km的水平湍流大气传输路径上开展了光强闪烁的初步测量。结果表明,测量的光强起伏方差随时间的变化基本符合近地面湍流起伏特征,在统计光强起伏过程中采用了将时间和空间序列的数据相融合的方法,大大增加了统计样本数;将传感器与大口径闪烁仪测量的折射率结构常数进行了对比,发现两者在变化趋势上具有较好的一致性,相关系数达到0.84;最后,通过不同子孔径内光强起伏的功率谱分析,进一步证明了Shack-Hartmann传感器用于光闪烁效应测量的可靠性。

基于复合相位屏的光传输多孔径接收特性研究

多孔径接收技术可以有效抑制无线激光通信中的光强闪烁,然而接收孔径的直径、间距以及个数对于改善无线激光通信性能的作用规律目前还尚不清晰完备。因此,提出一种基于复合相位屏的光传输方法,并对多孔径接收特性进行了研究。首先,将功率谱反演法和zernike倾斜方法相结合以生成复合相位屏,并构建了光传输多孔径接收的数学模型;然后,改变接收孔径的直径、间距以及个数,统计接收端光强闪烁的变化情况;最后,在不同的大气折射率结构常数、光波波长、传输距离的实际光传输场景下,分析了多孔径接收光强闪烁的变化规律。结果表明,当大气折射率结构常数从2.231 3×10^(-16) m^(-2/3)减小至1.5 81 2×10^(-17) m^(-2/3),5个孔径直径为0.2 m,孔径间距为0.4 m的接收孔径的光强闪烁从0.2032减小到0.0524;当光波波长由532 nm变为1550 nm,5个孔径直径为0.14 m,孔径间距为0.4 m的接收孔径的光强闪烁从0.2696减小到0.1982;当传播距离从7×10^(3) m增大到7×10^(5) m,5个孔径直径为0.2 m,孔径间距为0.4m的接收孔径的光强闪烁从0.0043增大到0.3239,该项研究总结了无线激光通信的多孔径接收特性的规律。

水下无线光通信抗湍流调制技术

针对水下无线光通信中由于湍流影响导致的光强闪烁及接收端光功率抖动问题,提出了一种基于广义伽马分布(GGD)模型的水下无线光通信准相干通信方法。该方法通过调节光源电流来实现光的强度调制,并使用调制信号对正弦载波的频率进行调制。通过仿真分析,研究了不同强度的水下湍流对光强信号频率的影响,并验证了准相干通信方法在抵抗湍流方面的能力。仿真结果表明:该方法能够在不同的湍流强度条件下有效地抑制光功率的波动,显著降低误码率;在强湍流环境中,误码率可以降至5.25×10^(-5)。

四象限探测器的特性测试

研究了用四象限探测器检测光斑中心位置时,入射光斑的各种特性和外部环境对象限探测器输出产生的影响。通过理论推导得出了入射椭圆高斯光斑时光斑中心位置与探测器输出的关系公式及检测灵敏度公式;搭建实验系统完成了室内及野外测试实验。实验结果表明,室内环境下探测器具有较高的检测精度与细分能力;在极限灵敏度下通过数字滤波可以使器件具有36细分的能力;测量了象限探测器的电压特性,完成了背景光特性、光斑大小特性、信噪比特性测试实验。野外实验表明,光强闪烁对探测器影响很大,当大气折射率结构常数为10-16时,距离在830 m时器件仅具有7细分能力,距离在12.5 km时基本没有细分能力,已经无法进行光斑检测。

湍流特征光学测试对比

在10℃～230℃温差下,对大气相干长度r0分别采用夏克-哈特曼的到达角起伏法、差分像运动法、波面法三种测量法和四象限探测器进行了测试和对比;对折射率结构常量Cn2及闪烁功率谱分别采用夏克-哈特曼和光电倍增管进行对比.实验结果表明:对于r0,在强湍流时四象限探测器比夏克-哈特曼的稳定性明显降低,且对夏克-哈特曼三种方法,差分像运动法可克服设备抖动等问题,但引入了方向上不一致的问题,波面法可有效避免该问题;对于Cn2,夏克-哈特曼比光电倍增管测量更稳定,拟合相关系数高达0.96;对于闪烁功率谱,由于噪音影响,在200℃时夏克-哈特曼比光电倍增管测得的最大频率高15Hz;最后,通过对夏克-哈特曼子孔径的闪烁功率谱分析得出,若同一子孔径入射光强不在CCD响应的线性区间时无法准确测量闪烁功率谱,否则可通过不同子孔径可完成湍流均匀性的测量.这将为湍流池提供最优的测试方法及理论依据.