【摘要】：隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,信息交換方式不斷增加,信息范圍不斷拓展,人們對信息傳輸量、信息安全性和保密性的需求不斷提高,這導(dǎo)致了光信息的傳輸通道由空間受限的光纖介質(zhì)向空間無限或半無限的大氣和水體介質(zhì)中延伸,光信息載體也在傳統(tǒng)自由度(振幅、頻率、偏振與相位等)中增加了軌道角動(dòng)量這一新型自由度。軌道角動(dòng)量在湍流環(huán)境中傳播時(shí)受湍流擾動(dòng)影響會(huì)產(chǎn)生模態(tài)串?dāng)_,增加通信系統(tǒng)的誤碼率,降低通信鏈路的性能。因此,在提高基于軌道角動(dòng)量的光通信系統(tǒng)的鏈路性能方面,研究如何有效地減弱湍流對軌道角動(dòng)量的干擾具有重要意義。論文根據(jù)Rytov理論和廣義Huygens-Fresnel原理,研究了空間結(jié)構(gòu)光場(高斯光束、高斯謝爾光束、電磁多高斯謝爾光束、徑向偏振多高斯謝爾光束、貝塞爾高斯光束和徑向偏振渦旋光束)在典型湍流環(huán)境中的傳輸特性,探索了在湍流環(huán)境中提升軌道角動(dòng)量傳播質(zhì)量的方法。主要研究內(nèi)容以及取得的研究成果包含以下幾個(gè)方面:1.在弱水平non-Kolmogorov湍流大氣中,根據(jù)Rytov理論推導(dǎo)了高斯光束孔徑平滑光強(qiáng)閃爍表達(dá)式,分析了湍流參數(shù)和孔徑平滑效應(yīng)對高斯光束光強(qiáng)閃爍和大氣激光通信系統(tǒng)平均誤碼率的影響,比較了海上和陸地大氣湍流引起的光強(qiáng)閃爍效應(yīng)差異�；谛拚齊ytov理論,將弱湍流光強(qiáng)閃爍模型推廣至中等到強(qiáng)湍流起伏區(qū)域,建立了高斯謝爾光束在中等到強(qiáng)non-Kolmogorov湍流大氣中光強(qiáng)閃爍模型。當(dāng)忽略湍流內(nèi)、外尺度影響時(shí),光強(qiáng)閃爍模型能退回至早期文獻(xiàn)結(jié)果。與此同時(shí),高斯謝爾光束的光強(qiáng)閃爍模型還可以退化成高斯光束、平面波和球面波模型。2.在中等到強(qiáng)湍流起伏區(qū)域,大氣湍流引起光信號(hào)的振幅起伏是受大尺度湍流和小尺度湍流共同調(diào)制的雙隨機(jī)過程,需要采用雙獨(dú)立分布函數(shù)模型來描述光信號(hào)的衰落規(guī)律。經(jīng)典的伽馬伽馬分布假設(shè)大尺度湍流引起的振幅起伏滿足伽馬分布,但更多的學(xué)者認(rèn)為其滿足對數(shù)正態(tài)分布。然而,伽馬分布不能很好地近似為對數(shù)正態(tài)分布,本文將對數(shù)正態(tài)分布近似為逆高斯分布,提出了新的逆高斯伽馬分布。逆高斯伽馬分布拓展了伽馬伽馬分布和對數(shù)正態(tài)分布在中等到強(qiáng)大氣湍流信道中對光信號(hào)振幅起伏的有效模擬范圍。3.根據(jù)相干偏振統(tǒng)一理論和廣義Huygens-Fresnel原理,建立了電磁多高斯謝爾光束和徑向偏振多高斯謝爾光束在水平non-Kolmogorov各向異性湍流大氣中的傳輸模型。詳細(xì)分析了各向異性大氣湍流參數(shù)和波源參數(shù)對電磁多高斯謝爾光束和徑向偏振多高斯謝爾光束在大氣湍流中的光強(qiáng)演化、波束擴(kuò)展與漂移效應(yīng)的影響。討論了在波束漂移方差計(jì)算過程中,大尺度濾波函數(shù)分別采用自由空間波束寬度和長期波束寬度的結(jié)果之間的差異。雖然采用部分相干光源和徑向偏振光源都可以降低波束擴(kuò)展與漂移效應(yīng),但徑向偏振光源在湍流環(huán)境中的光強(qiáng)分布更加穩(wěn)定。4.以湍流海水為例,基于Rytov理論及信息光學(xué)理論,建立了完全相干和部分相干的拉蓋爾高斯光束在弱湍流信道中的軌道角動(dòng)量傳播模型,分析了海水湍流參數(shù)和波源參數(shù)對其軌道角動(dòng)量的模態(tài)探測概率和螺旋譜分布的影響。結(jié)果表明,部分相干光源有利于減弱湍流對強(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)的影響,但會(huì)降低軌道角動(dòng)量的傳播質(zhì)量。此外,比較了貝塞爾高斯光束與拉蓋爾高斯光束在弱湍流海水中的軌道角動(dòng)量傳播特性,發(fā)現(xiàn)具有近似無衍射和自愈能力的貝塞爾高斯光束攜帶的信號(hào)軌道角動(dòng)量模態(tài)在湍流海水中的探測概率更高。最后,以貝塞爾高斯光束為例,研究了基于軌道角動(dòng)量的自由空間光通信系統(tǒng)在弱湍流海水信道中的平均信息容量的變化。5.在non-Kolmogorov各向異性湍流大氣中,根據(jù)廣義Huygens-Fresnel原理和Rytov理論分別建立了貝塞爾高斯光束傳輸模型和其軌道角動(dòng)量傳播模型,數(shù)值模擬了貝塞爾高斯光束的長期波束寬度、有效瑞利距離與波束漂移效應(yīng),討論了各向異性大氣湍流參數(shù)和源參數(shù)對部分相干貝塞爾高斯光束軌道角動(dòng)量的模態(tài)探測概率和螺旋譜分布的影響。結(jié)果表明,貝塞爾高斯光束在弱湍流起伏區(qū)域,軌道角動(dòng)量傳播質(zhì)量較高。隨著傳輸距離增加,進(jìn)入強(qiáng)湍流起伏區(qū)域,貝塞爾高斯光束攜帶的軌道角動(dòng)量傳播質(zhì)量下降明顯�？梢�,貝塞爾高斯光束更適合于短距離傳輸。針對不同傳輸距離的應(yīng)用場景,合理地設(shè)置貝塞爾高斯光束軸錐角可以提高其在湍流中的傳輸性能。6.根據(jù)相干偏振統(tǒng)一理論和廣義Huygens-Fresnel原理,推導(dǎo)了徑向偏振渦旋光束在non-Kolmogorov各向異性湍流大氣中的交叉譜密度矩陣和互相干函數(shù)。研究了各向異性大氣湍流參數(shù)和源參數(shù)對徑向偏振渦旋光束的強(qiáng)度演化、波束擴(kuò)展與漂移的影響。重點(diǎn)比較了徑向偏振和標(biāo)量渦旋光束在大氣湍流中傳輸效應(yīng)的差異。結(jié)果表明,徑向偏振渦旋光束不僅波束擴(kuò)展與漂移弱于標(biāo)量渦旋光束,而且強(qiáng)度分布受湍流影響退化為圓高斯型分布的速率更緩,軌道角動(dòng)量的傳播質(zhì)量更好。
【圖文】：

論文結(jié)構(gòu)框架圖

超過臨界 Reynolds 數(shù)時(shí)，慣性力的影響大于粘滯力，流體的能量將持續(xù)轉(zhuǎn)移給擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，流體會(huì)出現(xiàn)了明顯的湍流運(yùn)動(dòng)。圖 2.1 給出了層流與湍流的示意圖。圖2.1 層流湍流轉(zhuǎn)換示意圖臨界 Reynolds 數(shù)對于各種流體而言并不是一個(gè)普適常數(shù)，它不僅和流體幾何結(jié)構(gòu)，而且和其產(chǎn)生方式有關(guān)系。近地面層大氣的特征長度約為 2 m，特征速度為 1 至5 m/s，動(dòng)力學(xué)粘度系數(shù)約為 0.15 10-4m2/s，與其對應(yīng)的臨界 Reynolds 數(shù)達(dá)到了 105量級(jí)。因此，近地面大氣往往處于高強(qiáng)度的湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對于海水而言，動(dòng)力學(xué)粘度系數(shù)約為 10-6m2/s，其臨界 Reynolds 數(shù)可達(dá) 108量級(jí)。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN929.1
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本文編號(hào)：2654941