本文關(guān)鍵詞：基于自適應(yīng)光學(xué)的自由空間光通信指向性誤差和波前傳感研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《吉林大學(xué)》 2015年

基于自適應(yīng)光學(xué)的自由空間光通信指向性誤差和波前傳感研究

劉維  

【摘要】：自由空間光通信(Free Space Optical-Communication，F(xiàn)SO)系統(tǒng)具有頻譜寬、容量大、傳輸速率高、架設(shè)方便、無(wú)需頻譜認(rèn)證和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在星地通信，邊海防和民用通信等諸多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。FSO系統(tǒng)一般是以大氣作為傳輸信道，以光作為載波的通信系統(tǒng)。大氣湍流對(duì)其影響嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為光束傾斜和波前畸變，導(dǎo)致傳輸?shù)墓馐|(zhì)量下降，造成系統(tǒng)誤碼率（Bit Error Rate，BER）增大、光纖耦合效率減小、通信系統(tǒng)性能下降。自適應(yīng)光學(xué)（Adaptive Optics，AO）技術(shù)是克服大氣湍流的有效方法，它包含指向性誤差校正和波前傳感等關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的指向性誤差校正技術(shù)，多采用瞳面分析的方法，存在實(shí)施難度大的問(wèn)題；傳統(tǒng)夏克-哈特曼（Shack-Hartmman，S-H）波前傳感由于多次分光，存在能量利用率低、傳感效率差等問(wèn)題，在FSO系統(tǒng)中應(yīng)用有一定的局限性。針對(duì)上述問(wèn)題，本文在分析大氣信道的基礎(chǔ)上，深入研究基于AO的FSO系統(tǒng)，采用新穎的指向性誤差校正技術(shù)和波前傳感技術(shù)克服大氣湍流對(duì)系統(tǒng)通信性能的影響。本文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下： （1）在闡明大氣湍流形成的原因和Kolmogorov大氣湍流模型基礎(chǔ)上研究了大氣湍流對(duì)FSO系統(tǒng)BER和光纖耦合效率的影響。為了提高FSO系統(tǒng)通信性能，將AO技術(shù)引入到FSO系統(tǒng)中，給出了基于AO技術(shù)的FSO系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)闡述了AO技術(shù)中指向性誤差、波前傳感、波前控制和波前校正四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。重點(diǎn)分析了指向性誤差校正技術(shù)和波前傳感技術(shù)，指出了傳統(tǒng)區(qū)域法波前傳感技術(shù)在FSO系統(tǒng)中應(yīng)用的局限性。 （2）為了更直接地描述FSO系統(tǒng)中大氣信道的特性，，提出了一種根據(jù)FSO系統(tǒng)光纖耦合效率估計(jì)大氣信道的新方法。在研究了已有大氣信道估計(jì)方法的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出光纖耦合效率與大氣相干長(zhǎng)度的關(guān)系，采用大氣相干長(zhǎng)度間接估計(jì)法估算大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)。通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了該方法的可行性，該方法無(wú)需改變?cè)蠪SO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有估計(jì)方法簡(jiǎn)單和應(yīng)用成本低等優(yōu)點(diǎn)。 （3）針對(duì)傳統(tǒng)光瞳面指向性誤差校正存在的能量利用率低、實(shí)施難度大等問(wèn)題，提出了一種在焦面上分析指向性誤差的方法。研究FSO系統(tǒng)中指向性誤差校正技術(shù)的基本原理，推導(dǎo)出指向性誤差與BER的關(guān)系，搭建了指向性誤差閉環(huán)校正實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了不同擾動(dòng)強(qiáng)度下閉環(huán)校正前后系統(tǒng)BER的結(jié)果：在弱擾動(dòng)條件下，BER由105下降至109以下；在較強(qiáng)的擾動(dòng)條件下，BER由101下降至104。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，指向性誤差校正系統(tǒng)對(duì)不同擾動(dòng)強(qiáng)度下的FSO系統(tǒng)性能均有改善，在弱擾動(dòng)的條件下校正效果更明顯。 （4）針對(duì)傳統(tǒng)波前傳感技術(shù)能量利用率低的問(wèn)題，在FSO系統(tǒng)中提出了一種基于焦面的波前傳感技術(shù)，重點(diǎn)研究了基于相位差異（Phase Diversity，PD）的焦面波前傳感技術(shù)。在理論上闡明了PD波前傳感技術(shù)的基本原理，并通過(guò)數(shù)值模擬分析了其對(duì)FSO系統(tǒng)BER和光纖耦合效率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：PD波前傳感技術(shù)的平均波前檢測(cè)精度約為0.004；在弱擾動(dòng)條件下，F(xiàn)SO系統(tǒng)BER從105下降至1013，平均耦合效率由10.32%提高至63.82%。基于焦面的波前傳感技術(shù)有效抑制了FSO系統(tǒng)強(qiáng)閃爍效應(yīng)對(duì)波前傳感的影響，明顯改善了FSO系統(tǒng)的性能。 （5）為了進(jìn)一步提高波前傳感效率，在FSO系統(tǒng)中提出了全息波前傳感技術(shù)。重點(diǎn)研究了全息波前傳感技術(shù)的基本理論，分析了其對(duì)FSO系統(tǒng)光纖耦合效率的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明：在弱擾動(dòng)條件下，波前檢測(cè)精度小于0.04，光纖耦合效率由30%提高至70%以上；在較強(qiáng)擾動(dòng)的條件下，波前檢測(cè)精度約為0.07，光纖耦合效率由10%以下提高至50%左右。全息波前傳感技術(shù)可明顯提高FSO系統(tǒng)的性能，尤其在弱湍流條件下具有較高的波前檢測(cè)精度。 對(duì)比兩種波前傳感技術(shù)得到以下結(jié)論：基于焦面的波前傳感技術(shù)精度較高，可明顯改善FSO系統(tǒng)性能，但運(yùn)算較為復(fù)雜；全息波前傳感技術(shù)波前檢測(cè)精度較低，但其通過(guò)比較相對(duì)光強(qiáng)就可以檢測(cè)波前，運(yùn)算量小、檢測(cè)效率高，可實(shí)時(shí)檢測(cè)波前，更適合于FSO系統(tǒng)工程應(yīng)用。 本文的研究工作及成果完善了FSO系統(tǒng)信道估計(jì)理論，為基于AO的FSO系統(tǒng)指向性誤差校正及波前傳感開(kāi)辟了新的研究思路；對(duì)優(yōu)化FSO系統(tǒng)體系、促進(jìn)FSO系統(tǒng)應(yīng)用，具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN929.1
【目錄】：

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  本文關(guān)鍵詞：基于自適應(yīng)光學(xué)的自由空間光通信指向性誤差和波前傳感研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：207951