兰州地区光强起伏与衰减特性的实验研究

摘要

激光在大气信道中传输时会受到大气衰减、大气湍流、空间损耗和背景辐射等的影响，尤其是大气湍流和衰减的影响最为明显。大气湍流会使激光波阵面畸变，引起光束飘移、光束扩展、到达角起伏和光强起伏等现象。大气湍流和大气衰减会使无线光信号受到严重干扰甚至导致信号脱靶，造成较大的误码率和短时间通信中断，严重影响到激光通信的稳定性和可靠性。 在大气激光通信中，研究表明大气湍流和衰减特性随地域以及天气条件不同呈现不同的规律。然而，目前我国对于光强起伏以及衰减特性的实验研究主要集中在东部地区，且大部分在晴天展开。黄土高原半干旱地区气候特殊，且下垫面显著不均匀，导致其湍流较全国其它地区更为复杂。另外，该地区处于我国气溶胶光学厚度高值区，且沙尘暴频发，导致该地区气溶胶组成与分布也有别于其它地方。为此，本文针对该地区，通过开展激光传输实验研究了不同天气下的光强起伏及其衰减特性。本文主要工作如下： (1)结合光强起伏理论，设计了实验测试系统，并在兰州地区进行了链路长为 610m的激光传输实验。利用实验后的三维伪彩色变换图像，研究了高斯激光在不同天气条件下光强的空间起伏特性。结果表明：光斑主瓣光强服从类高斯分布，并按照晴天、多云天、阴天的顺序，光斑几何中心位置附近光强分布的陡峭度依次减小。 (2)利用实测光强值分析了兰州地区的大气闪烁指数、Rytov方差、大气折射率结构常数以及概率密度分布。结果表明：实验期间，该地湍流均属于中等湍流，晴、雨夹雪、沙尘天气下光强起伏大部分时间属于弱起伏，有小部分时间跨入中等起伏区。阴天下光强起伏均属于弱起伏，晴天和雨夹雪天气下光强起伏大于阴天和沙尘天。通过光强频数分布的对数正态、gamma-gamma和指数威布尔非线性拟合，发现该地区不同天气下光强起伏概率分布最接近指数威布尔分布。 (3)基于 Mie 散射理论，仿真分析了水溶性、沙尘性和煤烟性气溶胶的效率因子随粒子尺度变化关系。在此基础上，仿真分析了气溶胶粒子透过率与粒子浓度间关系。接着，通过开展实际实验，测量了不同天气下的大气衰减，结果表明：总体上，雨夹雪和沙尘天的衰减强度取值大于晴天以及阴天的衰减强度值，且晴天下光强衰减值最小，均值为 43dB/km。最后，实验验证了透过率随着粒子浓度增加而逐渐减小的规律。 本文的研究成果对兰州地区开展激光通信提供一定指导意义。

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附表索引

第 1章 绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2 光强起伏研究现状

1.3 大气衰减研究现状

1.4 课题来源

1.5 本文主要工作及其研究内容

第 2章 大气中激光信号的传输特性

2.1大气湍流概述

2.2大气湍流对激光传输影响

2.3 大气衰减对激光传输影响

2.4 本章小结

第 3章 光强起伏的实验研究

3.1实验平台

3.2光强起伏空间统计特征

3.3 光强起伏时间统计特征

3.4 本章小结

第 4章 大气衰减研究

4.1气溶胶类型及其尺度分布

4.2米散射理论

4.3效率因子

4.4散射衰减

4.5 不同天气下衰减测量

4.6 本章小结

第 5章 总结与展望

参考文献

致谢

附录 攻读硕士学位期间的学术成果和参与课题

1.论文成果

2.参与课题