【摘要】：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、高分辨率圖像傳感器和云存儲(chǔ)云計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間無(wú)線互連的速度和質(zhì)量提出了更高的需求。作為微波技術(shù)的重要補(bǔ)充,自由空間光通信(FSOC)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已經(jīng)成為搭建視距超高速鏈路的重要選項(xiàng),在骨干網(wǎng)中繼、基站互連、高層建筑間通信、空地/星地/星間通信、戰(zhàn)場(chǎng)通信和應(yīng)急通信等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用,也將成為未來(lái)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分。然而,大氣信道中的湍流效應(yīng)會(huì)使FSOC鏈路中作為載波的激光束發(fā)生波前畸變,引起接收端的光束漂移、橫向彌散、光強(qiáng)起伏等現(xiàn)象,導(dǎo)致接收光信號(hào)質(zhì)量發(fā)生嚴(yán)重劣化。因此,研究分析大氣信道特性、優(yōu)化光收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)以減弱湍流對(duì)光傳輸?shù)挠绊?是提高FSOC系統(tǒng)可靠性的主要手段。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,水平大氣湍流信道的建模理論已經(jīng)比較成熟,基于Kolmogorov類功率譜函數(shù)和擴(kuò)展惠更斯-菲涅耳原理和擴(kuò)展Rytov理論的水平鏈路閃爍指數(shù)模型成為鏈路性能預(yù)測(cè)的強(qiáng)大工具。在充分理解分析信道特性的基礎(chǔ)上,通過(guò)高精度光電跟蹤、光束參數(shù)優(yōu)化、空間分集、自適應(yīng)光學(xué)和新型部分相干光等技術(shù)的綜合運(yùn)用,近地面水平光鏈路的性能已經(jīng)達(dá)到較高水平,有眾多商用FSOC光終端投入使用。另一方面,傾斜大氣路徑的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)是海拔高度的函數(shù),這增加了使用解析方法計(jì)算閃爍指數(shù)的難度,特別是對(duì)于有限內(nèi)外尺度和高斯光束傳播的情況,因此相關(guān)研究的進(jìn)展也比較緩慢。本文從信道建模和新型部分相干光源兩個(gè)方向入手,研究討論傾斜大氣鏈路中光束傳輸?shù)钠鸱匦院鸵种拼胧�。大氣信道模型是鏈路性能評(píng)價(jià)與分析的基礎(chǔ),能夠?yàn)楣獍l(fā)射機(jī)的光束參量?jī)?yōu)化提供理論指導(dǎo)。針對(duì)現(xiàn)有傾斜鏈路閃爍指數(shù)模型只適用于弱起伏信道的問(wèn)題,本文根據(jù)擴(kuò)展Rytov理論推導(dǎo)大尺度效應(yīng)和小尺度效應(yīng)在湍流功率譜上截止頻率的積分表達(dá)式,得到了適用于所有起伏條件的改進(jìn)閃爍指數(shù)模型。改進(jìn)后的模型在上行方向和下行方向具有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)形式,不僅可以用于計(jì)算大天頂角鏈路的閃爍指數(shù),還包含內(nèi)外尺度和接收機(jī)孔徑等參數(shù),可以同時(shí)研究多種因素對(duì)光強(qiáng)起伏的影響。利用這一模型對(duì)傾斜鏈路的閃爍特性進(jìn)行了大量分析,比較了內(nèi)外尺度效應(yīng)、光源尺寸、接收孔徑平均、高空風(fēng)速、光源空間相干性等系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)對(duì)上行鏈路和下行鏈路的不同影響。根據(jù)所得到的計(jì)算結(jié)果,結(jié)合湍流起伏能量守恒的假設(shè),對(duì)工程領(lǐng)域關(guān)心的星地鏈路不對(duì)稱性給出了定性解釋,指出湍流層的分布特征與光束的衍射展寬是導(dǎo)致這一差異的主要原因。以高斯謝爾模(GSM)光束為代表的部分相干光(PCB)通過(guò)犧牲一定的方向性換取接收端閃爍指數(shù)的降低,在空間光通信中具有重要應(yīng)用價(jià)值。然而高空飛行器與地面站之間的鏈路難以通過(guò)部分相干光改善接收質(zhì)量,因此本文重點(diǎn)研究部分相干光在中低空鏈路中的應(yīng)用,并提出通過(guò)均勻相關(guān)相位屏空間調(diào)制方法生成具有凸形相干度分布的徑向部分相干光(CPCB)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,CPCB的最大特點(diǎn)是在傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生一次至多次自聚焦,在增強(qiáng)接收孔徑內(nèi)光能密度的同時(shí)還能強(qiáng)化孔徑平均效應(yīng),使閃爍指數(shù)進(jìn)一步降低。利用波動(dòng)光學(xué)仿真方法優(yōu)化相干度調(diào)控參數(shù)后,CPCB在軸上接收孔徑內(nèi)的信噪比相比常規(guī)的GSM光束可提升1到2 dB,而對(duì)于存在收發(fā)機(jī)對(duì)準(zhǔn)誤差的軸外接收情況,CPCB更是能夠提供多達(dá)5到6 dB的信噪比增益,而且這是在不增加硬件成本的情況下實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于PCB相關(guān)應(yīng)用重要的光探測(cè)器相對(duì)積分時(shí)間問(wèn)題,本文也結(jié)合CPCB的湍流傳輸做了分析,得出的結(jié)論是,相對(duì)積分時(shí)間不足對(duì)CPCB的影響沒(méi)有GSM明顯,因此在空間調(diào)制器件開(kāi)關(guān)速度不足的情況下,CPCB是更為優(yōu)化的光源選擇。本論文構(gòu)建了傾斜大氣星地/空地光束傳輸問(wèn)題的完整物理圖景,相關(guān)原創(chuàng)性研究?jī)?nèi)容是對(duì)現(xiàn)有湍流光通信理論和光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)的補(bǔ)充和發(fā)展,兼具原理的可靠性和實(shí)現(xiàn)的可行性,對(duì)下一代空間光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有借鑒價(jià)值和參考意義。
【圖文】：

1 緒論和意義世紀(jì)以來(lái)，以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)和基于先感器技術(shù)不斷產(chǎn)生突破，給人們的生活帶來(lái)了巨大的領(lǐng)域的科技進(jìn)步。與此同時(shí)，信息量的爆炸性增長(zhǎng)對(duì)來(lái)的壓力也日益增大，2017年全球IP流量已達(dá)1.5 ZB (在接下來(lái)的五年中增長(zhǎng)兩倍[1]。為了應(yīng)對(duì)高速高質(zhì)量數(shù)已逐漸完成電纜向光纖的升級(jí)，憑借相干光信號(hào)的巨提升。在需要無(wú)線互連的場(chǎng)合，微波通信長(zhǎng)期以來(lái)占資源和性價(jià)比等因素已經(jīng)讓微波設(shè)備在一些特殊應(yīng)用

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文域具有重要價(jià)值。FSOC 的上述技術(shù)特點(diǎn)使其能夠成為微波技術(shù)的有力即將在以下領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用[3]： 臨時(shí)鏈路搭建。FSOC 光收發(fā)機(jī)的體積小重量輕，無(wú)需考慮布線因素求低，因此調(diào)試、部署、拆除都非常靈活。此外，作為物理層設(shè)備的 議透明，可以在任意協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫橋接。 高層建筑互連。城市的高層建筑間常常需要寬帶互連互通，架設(shè)微波，還會(huì)破壞大樓整體外觀，而且可能引起健康方面的擔(dān)憂，，而一條光代數(shù)條微波鏈路，還可以部署在玻璃幕墻內(nèi)部，對(duì)非視線的遮擋也不敏
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN929.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2641575