本文關鍵詞：基于自適應光學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》 2015年

基于自適應光學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，FSO)系統(tǒng)具有頻譜寬、容量大、傳輸速率高、架設方便、無需頻譜認證和抗干擾能力強等優(yōu)點，在星地通信，邊海防和民用通信等諸多領域有廣泛應用。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)。大氣湍流對其影響嚴重，主要表現為光束傾斜和波前畸變，導致傳輸的光束質量下降，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。自適應光學（Adaptive Optics，AO）技術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鍵技術。傳統(tǒng)的指向性誤差校正技術，多采用瞳面分析的方法，存在實施難度大的問題；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、傳感效率差等問題，在FSO系統(tǒng)中應用有一定的局限性。針對上述問題，本文在分析大氣信道的基礎上，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和波前傳感技術克服大氣湍流對系統(tǒng)通信性能的影響。本文主要研究內容和創(chuàng)新點如下： （1）在闡明大氣湍流形成的原因和Kolmogorov大氣湍流模型基礎上研究了大氣湍流對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技術引入到FSO系統(tǒng)中，給出了基于AO技術的FSO系統(tǒng)組成結構，并詳細闡述了AO技術中指向性誤差、波前傳感、波前控制和波前校正四個關鍵技術。重點分析了指向性誤差校正技術和波前傳感技術，指出了傳統(tǒng)區(qū)域法波前傳感技術在FSO系統(tǒng)中應用的局限性。 （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FSO系統(tǒng)光纖耦合效率估計大氣信道的新方法。在研究了已有大氣信道估計方法的基礎上，推導出光纖耦合效率與大氣相干長度的關系，采用大氣相干長度間接估計法估算大氣折射率結構常數。通過數值模擬驗證了該方法的可行性，該方法無需改變原有FSO系統(tǒng)結構，具有估計方法簡單和應用成本低等優(yōu)點。 （3）針對傳統(tǒng)光瞳面指向性誤差校正存在的能量利用率低、實施難度大等問題，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的基本原理，推導出指向性誤差與BER的關系，搭建了指向性誤差閉環(huán)校正實驗系統(tǒng)。通過實驗得到了不同擾動強度下閉環(huán)校正前后系統(tǒng)BER的結果：在弱擾動條件下，BER由105下降至109以下；在較強的擾動條件下，BER由101下降至104。實驗結果表明，指向性誤差校正系統(tǒng)對不同擾動強度下的FSO系統(tǒng)性能均有改善，在弱擾動的條件下校正效果更明顯。 （4）針對傳統(tǒng)波前傳感技術能量利用率低的問題，在FSO系統(tǒng)中提出了一種基于焦面的波前傳感技術，重點研究了基于相位差異（Phase Diversity，PD）的焦面波前傳感技術。在理論上闡明了PD波前傳感技術的基本原理，并通過數值模擬分析了其對FSO系統(tǒng)BER和光纖耦合效率的影響。實驗結果表明：PD波前傳感技術的平均波前檢測精度約為0.004；在弱擾動條件下，FSO系統(tǒng)BER從105下降至1013，平均耦合效率由10.32%提高至63.82%�；诮姑娴牟ㄇ皞鞲屑夹g有效抑制了FSO系統(tǒng)強閃爍效應對波前傳感的影響，明顯改善了FSO系統(tǒng)的性能。 （5）為了進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。重點研究了全息波前傳感技術的基本理論，分析了其對FSO系統(tǒng)光纖耦合效率的影響。數值模擬結果表明：在弱擾動條件下，波前檢測精度小于0.04，光纖耦合效率由30%提高至70%以上；在較強擾動的條件下，波前檢測精度約為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精度。 對比兩種波前傳感技術得到以下結論：基于焦面的波前傳感技術精度較高，可明顯改善FSO系統(tǒng)性能，但運算較為復雜；全息波前傳感技術波前檢測精度較低，但其通過比較相對光強就可以檢測波前，運算量小、檢測效率高，可實時檢測波前，更適合于FSO系統(tǒng)工程應用。 本文的研究工作及成果完善了FSO系統(tǒng)信道估計理論，為基于AO的FSO系統(tǒng)指向性誤差校正及波前傳感開辟了新的研究思路；對優(yōu)化FSO系統(tǒng)體系、促進FSO系統(tǒng)應用，具有一定的理論意義和應用價值。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.1
【目錄】：

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