自由空間光通信一般指以激光為載波、大氣為傳輸介質(zhì)的長(zhǎng)距離光無(wú)線通信,常用于衛(wèi)星通信、無(wú)人機(jī)通信、應(yīng)急通信等應(yīng)用。相比無(wú)線射頻通信,其具有帶寬高、保密性強(qiáng)、部署成本低、無(wú)需頻譜牌照等優(yōu)點(diǎn)。但是,激光在大氣中的傳播容易受大氣湍流和天氣狀況的影響,造成接收信號(hào)功率衰落和信號(hào)畸變,使系統(tǒng)的通信性能下降。為了夠抵抗此類(lèi)干擾的技術(shù),一方面可以通過(guò)編碼等技術(shù)提高通信冗余度和可靠性,另一方面可以提高接收機(jī)的接收靈敏度。本文將從大氣湍流出發(fā),總結(jié)出自由空間通信信道模型,針對(duì)高速率、高靈敏度接收機(jī),相繼對(duì)基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的相干接收機(jī)、單光電探測(cè)器相干接收機(jī)和多孔徑接收機(jī)進(jìn)行討論和實(shí)驗(yàn)。本文首先對(duì)湍流的物理機(jī)制進(jìn)行了介紹,并給出了重要的參數(shù)和結(jié)論。其次,分析了高級(jí)調(diào)制格式光信號(hào)在空間激光傳輸?shù)母鱾�(gè)環(huán)節(jié)引入的信號(hào)畸變,并總結(jié)了大氣信道模型,包括損耗、衰落現(xiàn)象以及其相干性,得到在高速光通信系統(tǒng)中,大氣湍流信道可以視為慢變、頻率非選擇信道的重要結(jié)論。在大氣信道的基礎(chǔ)上,本文對(duì)相干光通信系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)組成和原理進(jìn)行了介紹,并總結(jié)了自由空間相干光通信系統(tǒng)的信道模型。文中逐一介紹了時(shí)鐘恢復(fù)、信道均衡、頻偏估... 

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圖１－１天地全光通信網(wǎng)絡(luò)示意圖??１．２和

２．１引言??大氣層是指地球表面以上幾百公里內(nèi)的氣體環(huán)境，根據(jù)溫度的變化，一般可分為四??層及三個(gè)等溫邊界，如圖２－１所示。??逃逸層??１?６〇０???？—?９０??中間頂層??一?＾―??１—?８０??中間層???Ｍ?？＿?５０??Ｊ??ｆＪＵｉＬ晝?］＿４８??平流層?１??！?對(duì)流頂層?Ｉ?２（）???１＾－?ｒ－?１１??對(duì)流層??ｉ?＇?—ｉ—Ｉ—■－．．．．．－＞■■■：?＾?〇??－１００?＞８０?＞６０?４０?－２０?０?２０?溫度（°Ｃ）?高度（Ｋｍ）??圖２－１大氣層的結(jié)構(gòu)??大氣信道的時(shí)變性引起的信號(hào)惡化，造成通信鏈路的不可靠是自由空間激光通信關(guān)??鍵問(wèn)題。其主要原因是大氣的姐成成分與湍流。光在大氣自由空間傳播的過(guò)程中，主要??受到三個(gè)因素影響：散射、吸收、大氣湍流引起的折射率抖動(dòng)。大氣中的懸浮物以及不??同天氣狀況都會(huì)影響激光的傳播損耗、傳播方向；受溫度差和風(fēng)引起的大氣湍流，折射??率在激光傳播方向上和時(shí)間上將發(fā)生抖動(dòng)，最終引起光束抖動(dòng)、強(qiáng)度閃爍、光束擴(kuò)展等??現(xiàn)象；最后，通信系統(tǒng)接收到的激光振幅和相位信息都會(huì)受到干擾。??２．?２湍流理論??２．?２．?１大氣湍流??地球表面的空氣流體由于氣壓和溫度的不同引起了運(yùn)動(dòng)。當(dāng)流速較低時(shí)，空氣流體??分層流動(dòng)，稱(chēng)這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為層流；當(dāng)流速逐漸增加時(shí)，流層的動(dòng)能克服了流體粘性的??阻尼效應(yīng)

一個(gè)重要的參數(shù)是其雷諾數(shù)，其物理含義是流體慣性力和粘性力的比值，一般和流體密??度、粘度、速度有關(guān)系。雷諾數(shù)較大時(shí)，慣性力對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)影響更大，流場(chǎng)由平流轉(zhuǎn)??變?yōu)槎肆�。如圖２－２所示，形成瑞流后，空氣流體形成湍流漩禍，定義最大漩調(diào)直徑為外??尺度大漩渦經(jīng)由分裂不斷變成小漩渦，當(dāng)達(dá)到最小湍流漩渦時(shí)，最終耗散至熱能，??定義最小湍流瀲渦直徑為內(nèi)尺度Ｚ。。??動(dòng)能??〇〇〇〇〇〇??＾１＾＞熱能耗散??圖２－２湍流漩渦的形成??湍流漩渦的能量分布可由折射率的空間功率譜描述。大尺寸的湍流漩渦通常對(duì)激光??傳播沒(méi)有影響，故通�？紤]外尺度—〇〇。而小尺寸的湍流漩渦將引起光束到達(dá)角抖動(dòng)、??光強(qiáng)閃爍等現(xiàn)象［５６］。??２．２．?２光學(xué)湍流??大氣湍流引起了局部溫度、壓力的隨機(jī)變化，導(dǎo)致了空氣折射率抖動(dòng)。這種現(xiàn)象又??稱(chēng)為光學(xué)湍流，并將引起接收光束的光強(qiáng)抖動(dòng)（閃爍）、光束擴(kuò)展、空間相干性降低等??現(xiàn)象。在對(duì)光學(xué)湍流進(jìn)行研究時(shí)，可對(duì)折射率建立為有關(guān)時(shí)間－空間的隨機(jī)場(chǎng)，記為??ｎ（７？；ｔ）。如果忽略時(shí)間，在某一瞬間進(jìn)行研究，則簡(jiǎn)化為ｎ（ｉ〇。在自由空間光通信應(yīng)用??中考慮大氣隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化時(shí)，一個(gè)簡(jiǎn)答而有用的假設(shè)是Ｔａｙｌｏｒ湍流凍結(jié)假設(shè)一一大氣??根據(jù)風(fēng)速隨著激光傳播方向的垂直方向移動(dòng)


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