由于渦旋光束可以在不增加光譜帶寬的前提下顯著地提升信道的信息容量,而且能夠更好地緩解湍流對(duì)光束傳輸時(shí)的負(fù)面影響,所以近年來(lái)將攜帶軌道角動(dòng)量(OAM)的渦旋光束應(yīng)用于自由空間光通信(FSO)系統(tǒng)得到越來(lái)越多的關(guān)注與研究。本文主要研究了攜帶軌道角動(dòng)量的Lommel光束在各向異性non-Kolmogorov大氣湍流、各向異性海面大氣湍流以及海洋湍流中的接收功率與串?dāng)_功率,并建立Lommel-Gaussian Shell光束模型,分析了復(fù)用光束的誤碼率與信道容量,主要的研究?jī)?nèi)容如下:1、為了闡明軌道角動(dòng)量,將Lommel渦旋光束分解為柱坐標(biāo)系中螺旋諧波疊加,并基于馬爾科夫近似以及Rytov近似,推導(dǎo)得到Lommel在考慮內(nèi)外尺度的各向異性non-Kolmogorov大氣湍流、各向異性海面大氣湍流以及海洋湍流中的接收功率與串?dāng)_功率模型。分析了湍流的各項(xiàng)參數(shù)(湍流強(qiáng)度、湍流內(nèi)外尺度、湍流譜冪指數(shù)、各向異性系數(shù)等)和光束參數(shù)(不對(duì)稱參數(shù)、軌道角動(dòng)量數(shù)、波長(zhǎng)等)對(duì)傳輸特性的影響。在大氣湍流中將Lommel光束、多漢克貝塞爾光束的接收和串?dāng)_功率進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)Lommel光束的傳輸效果優(yōu)于多漢克貝塞爾光束(MHB)。在海洋湍流中將Lommel光束與修正貝塞爾多高斯謝爾光束比較,發(fā)現(xiàn)Lommel光束的接收功率也是大于修正貝塞爾多高斯謝爾光束(MMBGS),且串?dāng)_功率小于修正貝塞爾多高斯謝爾光束。2、由于Lommel光束在湍流中傳輸時(shí)的效果優(yōu)于LG、MHB及MMBGS,所以我們建立了Lommel-Gaussian Shell光束模型,討論了Lommel-Gaussian光束及Lommel-Gaussian Shell光束在海面大氣湍流中傳輸時(shí)的接收功率與串?dāng)_功率。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)湍流的各向異性系數(shù)越大,湍流的強(qiáng)度越大(湍流折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)越大),光束的接收功率越小,串?dāng)_越大。且光束的波長(zhǎng)越短,以及源光束的空間不相干將增加海面大氣湍流對(duì)Lommel-Gaussian Shell光束的影響。對(duì)于接收孔徑來(lái)說(shuō),接收孔徑越大,光束的接收功率越小,串?dāng)_越大。將Lommel-Gaussian光束、Lommel-Gaussian Shell光束這兩個(gè)光束在海面大氣湍流中的接收與串?dāng)_功率與Lommel光束進(jìn)行比較,在相同的湍流條件下Lommel光束對(duì)于緩解湍流的負(fù)面效應(yīng)是優(yōu)于Lommel-Gaussian光束和Lommel-Gaussian Shell光束的。3、為了更好地觀察軌道角動(dòng)量復(fù)用的特點(diǎn),我們利用MATLAB繪制了復(fù)用的Lommel光束的場(chǎng)強(qiáng)和相位分布圖。當(dāng)兩路的軌道角動(dòng)量同號(hào)時(shí),即l_1·l_2＞0,復(fù)用光束的光強(qiáng)中心的亮斑個(gè)數(shù)為｜l_1-l _2｜,近場(chǎng)下的等相位線是由軌道角動(dòng)量數(shù)較小的一路決定,遠(yuǎn)場(chǎng)情況下的等相位線的數(shù)量是由軌道角動(dòng)量數(shù)較大的一路決定。但是當(dāng)l_1·l_2＜0,光強(qiáng)圖中心的亮斑數(shù)為｜l_1｜+｜l _2｜,相位也被等分為｜l_1｜+｜l _2｜份。接著研究了軌道角動(dòng)量復(fù)用系統(tǒng)在大氣湍流、海面大氣湍流以及海洋湍流中傳輸?shù)恼`碼率和信道容量。研究表明當(dāng)大氣及海面大氣湍流的強(qiáng)度越強(qiáng),各向異性系數(shù)的值越大,誤碼率就越小,信道容量也更快地達(dá)到飽和值。當(dāng)光束在海洋湍流中傳輸時(shí),溫差耗散率越小,動(dòng)能耗散率越大,溫度誘導(dǎo)和鹽度誘導(dǎo)的比值越小,光束誤碼率就越低,信道容量也越大。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TN929.1
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
符號(hào)對(duì)照表
縮略語(yǔ)對(duì)照表
第一章 緒論
    1.1 研究背景與研究意義
    1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
    1.3 研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排
第二章 湍流理論及OAM光通信
    2.1 大氣湍流理論知識(shí)
        2.1.1 大氣湍流折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)
        2.1.2 大氣湍流的內(nèi)外尺度
        2.1.3 Kolmogorov功率譜
        2.1.4 Non-Kolmogorov功率譜
    2.2 海面大氣湍流
        2.2.1 海面大氣湍流折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)
        2.2.2 海面大氣湍流譜模型
    2.3 海洋湍流
        2.3.1 海洋湍流的概念簡(jiǎn)介
        2.3.2 海洋湍流的各項(xiàng)參數(shù)
        2.3.3 海洋湍流的功率譜模型
    2.4 基于軌道角動(dòng)量的光通信
        2.4.1 攜帶軌道角動(dòng)量光束的基本概念
        2.4.2 渦旋光束的相位
        2.4.3 渦旋光束在光通信中的應(yīng)用
    2.5 渦旋光束的基本類(lèi)型
        2.5.1 修正貝塞爾多高斯謝爾模光束
        2.5.2 洛默爾光束
    2.6 本章總結(jié)
第三章 渦旋光束在大氣、海面大氣及海洋湍流中的傳輸特性
    3.1 Lommel光束在各向異性non-Kolomogrov湍流中的傳輸
        3.1.1 Lommel光束模的相對(duì)功率
        3.1.2 各向異性大氣湍流對(duì)lommel光束傳輸性能的影響
    3.2 Lommel在各向異性海面大氣湍流中的傳輸特性
        3.2.1 理論分析
        3.2.2 計(jì)算分析
    3.3 弱海洋湍流中Lommel及 MMBGS光束軌道角動(dòng)量的傳輸特性
        3.3.1 海洋湍流中Lommel光束的理論分析
        3.3.2 海洋湍流中MMBGS光束的理論分析
        3.3.3 海洋湍流對(duì)MMBGS以及Lommel光束傳輸?shù)挠绊?br>    3.4 本章總結(jié)
第四章 海面大氣湍流中渦旋光束傳輸特性
    4.1 Lommel-Gaussian光束在各向異性海面大氣湍流中傳輸特性
        4.1.1 Lommel-Gaussian光束
        4.1.2 洛默爾高斯光束在海面大氣湍流中的螺旋譜
        4.1.3 Lommel-Gaussian光束對(duì)OAM傳輸?shù)挠绊?br>    4.2 Lommel-Gaussian Shell光束在各向異性海面大氣湍流中的傳輸特性
        4.2.1 Lommel-Gaussian Shell光束
        4.2.2 洛默爾高斯謝爾光束在海面大氣湍流中的螺旋譜
        4.2.3 洛默爾高斯謝爾光束對(duì)OAM傳輸?shù)挠绊?br>    4.3 本章總結(jié)
第五章 復(fù)用的渦旋光束通過(guò)大氣、海面大氣及海洋湍流的誤碼率與信道容量
    5.1 軌道角動(dòng)量復(fù)用的基本概念
    5.2 湍流對(duì)光束復(fù)用誤碼率和信道容量的影響分析
        5.2.1 各向異性non-Kolmogorov大氣湍流對(duì)誤碼率和信道容量的影響
        5.2.2 各向異性海面大氣湍流對(duì)誤碼率和信道容量的影響
        5.2.3 海洋湍流對(duì)誤碼率和信道容量的影響
    5.3 本章總結(jié)
第六章 結(jié)論與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 展望
參考文獻(xiàn)
致謝
作者簡(jiǎn)介

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