自由空间光通信中光强闪烁抑制的研究

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当代互联网和多媒体设备使用的快速增加造成了通信网的拥挤。现行的无线微波通信出现带宽资源缺乏的现象,重新引起了人们对自由空间光通信系统(FSO)的关注。用激光作为信号的载波,FSO能够在远距离间提供一个无线的,高带宽的通信链路。FSO通信中的“无线”是其一个重要的优势,特别是在铺设光纤昂贵的城市局域网和城域网建设中。FSO的另一个优势是建立高速的星地通信链路的潜力。由于微波通信带宽限制问题,FSO通信被认为是在未来实现超高速(Gbps)大容量的航天通信的关键技术之一。FSO通信最大的缺点在于信号在传输过程中特别容易受大气环境的影响,造成通信光束的功率衰减、光束漂移、光束扩展、相位起伏以及光强闪烁等问题。在FSO技术的不断发展过程中,光强闪烁已经成为限制通信距离和系统性能的瓶颈之一。针对该问题,本论文对闪烁抑制技术中常用的部分相干光传输和空间分集技术作了深入研究。主要的创新工作如下:1.建立了快探测器下孔径接收的高斯-谢尔模型(Gaussian-Schell model,GSM)光束的闪烁指数理论模型。在考虑接收机的响应时间τD和光源相位扰动的相干时间τS的影响下,将已报导的GSM光束闪烁指数的点接收模型拓展到了包括孔径影响下的面接收模型。基于该模型,详细讨论了相对探测器速度τS/τD和孔径效应对闪烁指数的影响。发现只有当相对探测速度小于一个特定值(记为τmax)时,部分相干光束才能提供比相应的完全相干光更低的闪烁指数。我们得到了τmax的近似解析解。利用该解析解,可以方便地估计出任意链路条件下τmax的值。2.利用等效参数法将高斯光束漂移的一般理论模型拓展到电磁高斯-谢尔模型(Electromagnetic Gaussian-Schell,EGSM)光束的情形下,得到了EGSM光束漂移的理论模型。通过数值分析发现在弱湍流条件下,光源的参数,包括部分相干长度、偏振度、波前曲率半径,对光束漂移有明显的影响,但在强湍流下则失效。因此在弱湍流下可通过光源参数的选择进行光束漂移的控制。另外,通过对模型的分析得到了不同初始参数的EGSM光束具有相同光束漂移的条件。3.建立了接收机分集系统的信道相关系数理论模型。基于平面波模型,利用几何光学ABCD系统中的Rytov近似得到了信道相关系数的表达式。通过数值分析详细讨论了系统链路参数如湍流强度、接收机孔径、接收机间距等对信道相关系数的影响。利用该表达式可得到任意链路条件下子信道间的相关系数,为研究相关性对分集系统性能的影响提供了一个理论分析模型。另外还得到了强湍流下信道相关长度的近似表达式。由于相关长度是不同子接收机间信号衰落保持相互独立需要的最小间距,因此这个结果在天线设计中具有一定的指导意义。
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