论文部分内容阅读
大气激光通信是将信息附加在光载波上，随着激光光束在空间大气中传播并通信的过程。与常规的射频微波通讯相比，激光通信具有传输速率快、通信带宽高、抗电磁干扰能力强、信息安全性高、体积小、重量轻、功耗低及不需要无线电频率使用许可等诸多优势。随着现代军事战争对信息对抗领域越来越强烈的需求，尤其在近海海军舰、船、岸以及飞机间的信息传递中，激光通信已经成为最为先进的通讯手段之一。近海大气激光通信的信号传输媒介是位于海面上方十几米至几十米的大气，该区域的大气分子间的相互作用可产生一个扰动区域，在此区域中的大气受到外界环境因素的影响形成湍流形式的运动。 由于大气湍流的随机运动，导致大气折射率在空间上是变化的，进而对传输的光波产生影响。这种现象体现在接收光波上，将引起接收光强的闪烁、光束扩展和光束漂移等变化，从而增加链路中断的可能。因此，深入研究大气湍流信道的特性以及建立信道的仿真模型，十分有助于近海大气光通信系统的设计及实际的工程应用。 迄今为止，对自由空间光通信的研究大多集中在近地、星地及星星等应用环境，而对于近海链路而言，传统的大气湍流模型并不能准确的描述海面上空的大气环境。因此，本论文针对近海大气湍流的特点，主要进行了以下几个方面的研究工作: 1、为了准确的描述大气信道的特性，建立了一种复合的大气信道模型，该模型包含了大气衰减、大气湍流效应和指向误差共同的影响，其中使用了最近提出的M分布大气湍流模型来描述大气湍流的影响，并应用了更为准确的指向误差模型，即非零对准指向误差模型，并通过Weibull分布对其近似拟合，最终得到一个便于计算的信道模型。在这个近似的模型下，对大气激光通信副载波BPSK调制系统的误码率和信道遍历容量性能进行了研究。采用广义Gauss-Lagueree展开式的形式，推导了系统误码率的闭合表达式，并利用詹森不等式推导出信道遍历容量上下界的简化形式。仿真结果表明，采用Weibull分布模型的仿真结果与拟合前的信道模型计算的理论值十分接近，充分证明了Weibull分布模型的适用性和准确性，并且验证了推导的BER和信道容量的闭合表达式能更好更快速的对系统的性能进行评估。 2、对近海大气湍流折射率功率谱进行了深入研究，使用海洋大气湍流谱代替传统的Kolmogorov大气湍流谱，推导出了近海大气光强闪烁系数。并根据Gamma-Gamma光强闪烁模型和光束漂移模型，推导出了近海环境下接受光强的概率密度分布，并仿真分析了不同条件下的分布特性。 3、依据近海环境的大气信道模型，分别给出了OOK、PPM以及DPIM三种调制系统的误包率表达式，并重点分析了不同参数条件下的系统性能，结果表明:相同发射功率的情况下，PPM调制系统具有最好的误包率性能，且光束漂移会对近海激光通信系统的性能产生一定的影响。当通信距离15km的条件下，发射端光束的束散角在0.7～1.6mrad之间时，系统误包率性能最优。 4、本文进行了城市链路7.7km和近海链路8.9km大气激光通信实验，对大气折射率结构常数、接收电信号的起伏以及接收信号的眼图和系统误码率进行了测量与分析，并进行了视频图像的传输，验证了系统的通信性能。同时，还设计了一种改进的大气激光通信PPM调制解调系统。 本论文针对近海大气激光通信中大气湍流的影响进行了研究。对近海大气信道进行了建模与仿真，并实际测量了近海环境的大气参数以及通信信号的统计特性，为未来近海大气激光通信系统的设计及参数的优化提供了更多的理论支持。