本文選題：星地光通信　切入點：大氣湍流　出處：《武漢大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：隨著信息獲取類衛(wèi)星的數(shù)據(jù)量劇增及傳輸實時性需求增強,對天基信息系統(tǒng)提出了速率超過1Gbps的明確需求。相對于微波通信方式,光通信可以提供更高的傳輸速率,更小的功耗和載荷,不受其他頻段的干擾。目前國際上對衛(wèi)星光通信技術(shù)的研究已經(jīng)成為一個熱門的研究領域。 在衛(wèi)星與地面的激光通信中,載有信息的光波在大氣中傳播時會受到大氣湍流影響,引起光強閃爍、到達角起伏、光束漂移等一系列大氣湍流效應,造成接收端光斑抖動、接收光功率起伏,降低通信指標。為提高空間光通信系統(tǒng)性能,必須對湍流大氣中的光束傳播特性開展專門研究,尋找克服大氣湍流效應的方法,最終實現(xiàn)穩(wěn)定通信。在科學研究以及工程設計中人們迫切需要能模擬大氣湍流擾動的大氣湍流模擬器,以便在室內(nèi)開展相關(guān)實驗。本文針對湍流大氣中激光傳播理論特性,討論了湍流相位屏的數(shù)值模擬方法,基于液晶空間光調(diào)制器(LC-SLM)設計了室內(nèi)大氣湍流模擬器,驗證了不同湍流下的光強閃爍及到達角起伏效應的影響。 本文首先討論了湍流大氣中激光傳播問題。從湍流統(tǒng)計理論出發(fā),介紹了Kolmogorov與Non-Kolmogorov湍流功率譜模型以及各自模型下激光傳輸?shù)娜跗鸱娖鸱碚?重點分析了光強閃爍與到達角起伏效應。 研究了靜態(tài)相位屏的數(shù)值模擬方法,包括功率譜反演法、Zernike多項式法和分形法,從時間復雜度、模擬精度及適用范圍上對比分析了三種方法優(yōu)缺點。推導了Non-Kolmogorov湍流下離散相位屏的普適表達式,針對已有隨機中點位移算法(RMD)的不足,提出了一種改進RMD算法,提高了模擬精度。介紹了動態(tài)湍流相位屏的仿真方法,針對湍流凍結(jié)法產(chǎn)生的相位屏數(shù)量有限這一缺點,給出了樣條插值法的一種實現(xiàn)方案,實現(xiàn)了長時間動態(tài)模擬。 基于LC-SLM設計了室內(nèi)湍流模擬器并搭建了仿真平臺,分析了仿真平臺與外場實驗平臺的等效性。詳細討論了遠場光斑放大的理論基礎以及室內(nèi)模擬的可行性,根據(jù)透鏡成像放大原理設計了級聯(lián)光放大系統(tǒng),以模擬不同距離的激光大氣傳輸。模擬了Kolmogorov與Non-Kolmogorov湍流中不同湍流強度下的到達角起伏以及3.4km鏈路光強起伏情況。 開展了外場遠距離激光大氣傳輸與激光通信實驗。針對3.4km水平鏈路進行了長期觀測實驗,得到了大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、大氣相干長度的日平均變化規(guī)律,同時測量并分析了該鏈路下的光強起伏時間功率譜。介紹了一種衛(wèi)星光通信終端地面演示系統(tǒng),進行了鏈路預算分析。開展了40km激光大氣傳輸實驗及激光通信實驗,從理論上分析了Gamma-Gamma信道下,誤碼率與信噪比的關(guān)系。討論了星地鏈路與水平遠距離鏈路大氣衰減及大氣湍流的關(guān)系。 本文的工作為星地鏈路大氣湍流效應的研究提供了理論基礎,同時對星地鏈路中室內(nèi)湍流模擬器的設計以及遠場激光傳輸?shù)哪M提供了實驗依據(jù)。
[Abstract]:With access to information like satellite data and increase the real-time transmission demand, put forward a clear demand rate of more than 1Gbps of space-based information system. Compared with microwave communication, optical communication can provide higher transmission rate, power consumption and the load is smaller, no interference from other bands. The current international research on satellite technology optical communication has become a hot research field.
In satellite laser communication with the ground, the light with the dissemination of information in the atmosphere is affected by atmospheric turbulence, caused by scintillation, arrival angle fluctuation, beam drift and a series of effects of atmospheric turbulence, caused by the receiving end spot jitter, receiving light power fluctuation, reduce the communication index. In order to improve the performance of space optical communication system. We must carry out special research on the characteristics of beam propagation in the atmospheric turbulence, looking for ways to overcome the effects of atmospheric turbulence, finally realize the stable communication. In scientific research and engineering design in the urgent need of atmospheric turbulence simulator can simulate the atmospheric turbulence, so as to carry out related experiments indoors. According to the characteristics of laser propagation in atmospheric turbulence theory, discussion a numerical simulation method of turbulent phase screen, liquid crystal spatial light modulator (LC-SLM) based on the design of the indoor atmospheric turbulence simulator to verify the different The effect of light intensity flicker and angle of arrival fluctuation in turbulence.
This paper first discusses the laser propagation in the atmospheric turbulence problem. Starting from the statistical theory of turbulence, introduces Kolmogorov and Non-Kolmogorov turbulence power spectrum model and the weak fluctuation model of laser transmission, strong fluctuation theory, focusing on analysis of the scintillation and angle of arrival fluctuation effect.
The numerical simulation of the static phase screen, including power spectrum method, Zernike polynomial method and fractal method, from the time complexity, simulation accuracy and scope of application of comparative analysis of the advantages and disadvantages of the three methods are carried out. The Non-Kolmogorov turbulence phase screen discrete general expression, the random midpoint displacement algorithm (RMD) deficiencies, proposed an improved RMD algorithm, improving the accuracy of the simulation. The simulation method of dynamic turbulence phase screen method, for frozen turbulence phase screen generated by a limited number of this shortcoming, a scheme of spline interpolation method is given, the long time dynamic simulation.
The design of LC-SLM indoor turbulence simulator is built based on the simulation platform, analyzed the equivalent experimental platform simulation platform and the outfield. The far field spot to enlarge the theoretical basis and feasibility of simulation is discussed in detail according to the design principle of lens imaging amplification cascade optical amplification system, the simulation of laser propagation in different distances is simulated. Kolmogorov and Non-Kolmogorov turbulence in different turbulence intensity under the angle of arrival fluctuation and 3.4km link intensity fluctuation.
The distance field of laser atmospheric transmission and laser communication experiment. According to the level of 3.4km link long-term observation experiment, the atmospheric structure constant of refractive index is obtained, the atmospheric coherence length on average variation at the same time, measurement and analysis of the link between the power spectral intensity fluctuation is introduced. A satellite optical communication terminal ground the demo system, the link budget analysis. 40km carried out the experiment of laser propagation in atmosphere and laser communication experiment, analyzes theoretically the Gamma-Gamma channel, the relationship between BER and SNR. And discussed the relationship between the atmospheric turbulence attenuation of satellite ground link and level range link of the atmosphere.
The work in this paper provides a theoretical basis for the study of the atmospheric turbulence effect in the satellite earth link, and provides experimental evidence for the design of the indoor turbulence simulator and the simulation of far-field laser transmission in the satellite link.

【學位授予單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TN929.1

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3 楊婧，

本文編號：1591186