部分相干激光通信性能受大气湍流影响的分析

摘要

大气激光通信因其具有众多优点而受到广泛关注，而大气湍流是制约大气激光通信系统性能的重要因素，为了保证激光通信系统性能的稳定可靠，研究大气湍流对通信系统的影响显得非常重要。
　　 本文基于大气湍流效应对激光通信具有不可忽略的影响，介绍了大气湍流的基本机理，分析了从弱湍流到强湍流的情况下，大气湍流对光传输造成的光强起伏、光束漂移、光束扩展、到达角起伏等各种影响下的理论解析值的计算方法。为了有效地研究大气湍流对激光传输的影响，采用功率谱反演法建立相位屏模型，模拟激光在大气湍流中传播的光场分布情况。分析了部分相干光在大气湍流中的传输特性，在考虑大气湍流引起信噪比条件下，研究了激光的光强闪烁和扩展效应对不同调制方式下激光通信系统误码率的影响，以及部分相干光对大气激光通信性能的改善。鉴于RS码纠错性能较强的特点，将RS码与PPM调制相结合，改善激光通信系统的通信性能。结果表明：利用多相位屏法模拟激光在大气湍流中的传播结果，与通过理论解析方法得出的结果相比较，有着较好的吻合；利用部分相干光，可以有效地减小光强闪烁，降低系统的误码率；采用PPM调制可以有效地提高激光通信系统的性能；将RS码作为大气激光通信系统的纠错码，可以大大地降低系统的误码率。本文对于大气激光通信系统的发展具有重要的实际应用价值。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究动态和发展趋势

1.3 本文研究意义和结构安排

第二章 大气湍流对激光通信系统影响的基本理论分析

2.1 大气湍流的基本特性

2.1.1 大气湍流的形成

2.1.2 大气湍流的统计特性

2.2 激光的光强起伏

2.2.1 弱起伏下光强起伏

2.2.2 强起伏下光强起伏

2.2.3 高斯光束的光强起伏

2.2.4 数值计算与结果分析

2.3 光束漂移和光束扩展

2.3.1 光束漂移

2.3.2 光束扩展

2.4 相位起伏和到达角起伏

2.4.1 相位起伏

2.4.2 到达角起伏

2.5 本章小结

第三章 部分相干光在大气湍流中传输情况的研究

3.1 部分相干高斯-谢尔光束(GSM)的模型

3.2 部分相干GSM光在真空中的传输特性

3.3 部分相干GSM光在大气湍流中的传输特性

3.3.1 部分相干GSM光的波束扩展效应和光强分布

3.3.2 部分相干GSM光的光强闪烁效应

3.3.3 数值计算及结果分析

3.4 本章小结

第四章 利用多相位屏法模拟大气湍流中的激光传输

4.1 光传播抛物线方程与多层相位屏法

4.2 大气湍流相位屏的数值模拟方法

4.2.1 功率谱反演法

4.2.2 相位屏的数值模拟结果与分析

4.3 高斯光束在大气湍流中传输的数值模拟

4.3.1 高斯光束在真空中的传播

4.3.2 高斯光束在湍流中的传播

4.4 数值模拟及结果分析

4.4.1 高斯光束传输的数值模拟

4.4.2 光束漂移效应

4.4.3 光束扩展效应

4.4.4 光强闪烁的模拟

4.5 非均匀湍流情况下相位屏模拟方法

4.5.1 相位屏分布的两种方法

4.5.2 光传播效果的比较及分析

4.6 本章小结

第五章 大气湍流对激光通信系统误码率的影响

5.1 激光通信系统的优势及组成

5.2 大气湍流对激光误码率的影响

5.2.1 大气湍流引起的信噪比

5.2.2 大气湍流引起的误码率

5.2.3 数值计算与结果分析

5.3 大气湍流对部分相干光系统误码率的影响

5.3.1 部分相干光闪烁指数

5.3.2 多束部分相干光闪烁指数

5.4 激光通信系统常用调制方式及其差错性能

5.4.1 OOK信号的产生与解调

5.4.22PSK信号的产生与解调

5.4.3 DPSK信号的产生与解调

5.4.4 PPM信号的产生与解调

5.5 数值计算及结果分析

5.6 本章小结

第六章 RS码对部分相干光通信系统误码性能的改善

6.1 大气激光通信系统中的信道编码

6.2 差错控制编码的原理

6.2.1 差错控制编码的基本思路及相关概念

6.2.2 差错控制编码的分类

6.3 RS码的编译码原理及其纠错性能分析

6.3.1 RS码的编码原理

6.3.2 RS码的译码原理

6.3.3 RS码的纠错性能分析

6.4 RS码对部分相干光通信系统误码性能的改善

6.5 本章小结

结束语

参考文献

致谢

硕士期间研究成果