（物理电子学专业论文）光无线通信大气链路特性分析.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘溪 光无线通镶是伴髓着半导体激光器和光嗽探测器件鹩羁益完善以及光通信披术的 发餍而莺新兴起的一种无线通信方式，在许多领域疑有广泛的应用前景，本文针对光无 线遴倍系绞中大气链鼹特瞧进嚣了辑究，磅究瓣墨要蠹容包括； 善先广1 泛蠢阙国内鲣文教，麓要介绍了磷究糕况彝埝文孛用到戆纂本理论，擞槎蒂 涅尔衍射公式，得到_ 平筒波、球碡波和高斯光束的轴上光强分布的解析表达式，对接 收颡上的光强分布，利用8 e s s e l 函数的性璇经推辞了一冗长积分公式，荠用照积分公 式褥到了平瑶渡、球蔷滚和离薪巍窳程接收磷上韵光强静布静瓣祈表达式，数值彷粪分 板方法分掇了光强的分意劳做出了攘趣约关蓉曲线圈。 其次根据广义惠更斯一薄涅尔原理和r y t o v 避豫，褥到了瘫鳜光束凌无孔径限谁4 下 接收面平均光强的解析表达式和在圆孔、矩孔限制轴上平均光强分布的解析表达式e 数 藏分轿表鞠输。乏平均兔爨在传播糕离鞍，j 、对发生鞭荡，擞荡豹幅度醣傣搔驻离懿猎犬两 增大，这到最大燕嚣疆传播距离擎调f 降，势分攒了不鞠鹣笈裁琵经鼹滚滚强度下平均 光强的分布。 最后分桩了大气潞流中矩孔鞭剩下接收颟的平均光强分布的积分袭遮式，利用复他 g a u s s _ l e g c n d i i 型一熏求根公式，推导了= 重求积公式，缀数值仿真 乍出了波阵衡半 经、转撵蹉离、漶淡强度耪波长鸟平均党强懿关系藏线圈。爻孪大气濑滚审龙强鲍阕烁效 癌进蠢了分辑，缮到了零趣尺度帮 # 零建尺度下平藤波、球嚣波和毫斯光窳静闪烁攒数， 实验研究了湍流对接受端光强的影响，数据表明理论与实际相符。 关麓蠲：蠢线光遴嵇丈气溃流广义慈爱舞一藜滢尔摄理 平均光强闪j 烁指数 华中斟技火学硕童学位论文 a b s t r a c t 卸畦赋瓤雠l e s s 摧燃黻i c o n ，s p 蠢避s 邳o n e ea g a i 羲3 i o n gw i m 洳e 拈v 翻婶燃e n to f o p | i c a l 舶e rc o 辩雠u n i e a t i 蚺t e ( i h n o l o g ya n dt h ep r o 科e s so f 蜘es e m 主e o n d u c 扛hb $ o r sa n d 蚺o t 。e l e c 螂cd e t e e t 。f s ，i th a sw i 菇l yp f o m i s i n ga 辩n i c 越i o n sw 霸i 狂m a 矬y 曲m 袁i 牲s t 融饿转 p a 黻氇。l i 救穗煳c l 封主si 抟谢吐g a 协dt oo p t i e 诚糖k s sc o “眦锄融a t i 蛾1 套e 嫩蜘c 。嫩e n t s a r es u n m a 蛀z e da 8f b l l o w s ： a t 虹r 蚍b 黜e do n 沁w i d c l y o 鑫挑i 泌嘏艇鼢e 鞋c e s ，n 瓣摊驸矧淑s 黼u sa n 畦m a i n 辨i n c i p l ei s 鲫烈l u c 对弧轴i 钱u s i n 嚣m ef r e s n e i 赫瓣幽，蛀持葚n 融舛i c a 差c x p 糟s s i 。n s 艚鑫x i 越 i n 翱1 s i t ya 糟g 越n e dt op l a n ew 毡v e 、s p h e r i e a lw 洲ea n dg 黼s s i a l lb 。a m s ，、v i h | l e 髂e s s e l 如n c t l o n 掣o p 嘶ya 蝴i i o u si n 主e g r 氇t i o n - s 融i v e d ，娃辖a 融l y 蛙e a l 。p i 蹦so f 掉c e i v e f 蝉a n e i n 挺然i t ya 糟d e d u 婵d 蠹o m 蛙摊i 域e 黟a t i o 莪，1 龟罐馥撼en h h l e 姓。蠢s i m 弧l 矧d n 斑ei 差薹t e n s 呈t y d i s t r j 漱i o na n r e i e v a n lg 曲8 ma 嗽l y 臻d s e c o n d 致如s e do n 蜘e # x 鼢d 醚h u y 黔n s - f r e s n e | p r i n e 玲l e dr y t o va p p r o x i m a t i o n ， t 如a n 醛y t i e 啦e x 拶e s s o n o f 矗v e r 8 辨i 蚋潍s i t y 谢m o 强t 印e 撇i s d e d u c e d ，a n d t h c 蹦p f e s $ i o n s o fa x i a lj 魏把n 嚣h yw i t t la 畦糟u l a ra n d 糟e t a n g i e 矗p 黼如r ea r ed e r i v e d n u m 钳i e a ls i m 懂a t i o n s h o w st 酝勰i 毹i 主l t e 搿i 锣谢 lo s c l h 瓤e 妯e n 谯ep r o p a 静t i o nd i s t 扭n c e 砖s m l ，出ea m p l i 秘d e b o m el a r g e f 馥l o n g 撕像t d i s 翱n c e ，i t 谯l l s 热o 协转铷s l y 确黜谯ea 秘p i 诹埘ea m 张s 武t i l e 鼬a x i m u m ，a n dt h ei n t c n s 酶i s 蝴l y d 遗d i 赫r e 热ta 辨咖辑s 洒a 越t u 办u j e n c ei n 悖n s 嗡 kl h ee n d ，伽ej 嚣e g f 州棚e ) 堪擀s s 械o f 辟o e i 瑚rp l a n8 v 跚堪ei n t e l l 赫母穗d 嚣i w dw 溉a 持e a n 誉ea 辨n 锵e 强越m o s 曲e 畦et u 南u 重牲e e ，搬ed o 驻b l e 舭g 蹦。x p 勰s s i o 赫i sd e r i v e dw i l h t 沁c o m p l e x i f 酶a t i o ng 巍u s s 也e g e n d f ei ff o 眦m l a ，抽舯u 醢t h en u m e r i c 甜s i “m l 嬲o n ，t h eg r 雌h i sp l o 髓。db e t ka v 材鑫g ei n t e n s i t ya n do u w a h l 糟o f a v e 如m ，p r 0 髀g a t o nd i s 协n c e ， t w b 啦e n 髓i n t e n s i 母a n dw 群e l 盥g t h 甜摊i 蛙a d i 馘c e 划n 畦l l a t 融i 撞a t m o s p k r i ct u m 赳蚴c e 诂 e l e m e n t a r ya n 曩l y z 甜，蜘e 辩i n f 量l l 砒i 蛐i n d e xo fp l 脯ew a v e 、s 髓e r i c a lw a v ea n dg a u s s i 鑫n b e 巍 n s 呈ss l l n l m 嚣i z e dt o r o - i i m e 卜s c a l 嚣a n dn z e r o 、i l m o r - s c 砖e ，l h ee 恼c to f 札 蜘u i 鞠1 0 e u p o nf e c e i v e ri n t e n s i 秘i s 糟s e a r c h e dl h r o h 曲ae x p 翻l 艚越，娃撼r 斟u l s 曲o wt h a 毫蟾瓣 e x 驴髓泌l e n t a n o na c c o 稆s 诚 h 娃撑t h 。o r e i 如龋a n 越y s i 8 x e y w o r d 瓢。鲻e 穗i 稍糟l e s se o m m 瑚畦蹦i 涨8 蝴o s 曲e r i et u m 啦e n c 。 箍毽窖ei 联略盎s 粉 州e n d e dh u y g e i l s - f 嘣m e l i 瞄i p l ei n t 硅l a t i o ni n d e x h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：铲乱 日期：咖z 年铲月z 三日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：w 名 日期：矿彤年函月，d 日 指导教师签名 日期：h n 绰甲， 确一 华中科技大学硕士学位论文 l 绪论 l ，ls l 蠢 鑫激党浅凝激来，党波强大气、海洋穑生物薅随枫舟麓中的传播磅究变得戴来越燕 簧，特剐憝程通债、遥感和梭测等领城中的应粥研究显褥尤为突出。我们不妨引用夔灏 华盛顿大学a k i r ai s h i m a n i 教授在荑圈光学学会杂惑上发寝的一段话：“当前，在许多科 学家和工程卿中，对随机介璇的波传播和散射的必趣不瞬媳增长。遮雕能毒甄方西鳇艨 圜。第一、蹙诲多实黪闳薅骤益增长鹣霈要，懿光程大气中熬转播，海洋中鳇声熬骛雪， 电离闪烁，地球物理舟威中的微波教魅秘遥感，波在会成幸葶糕中秘波鑫慰躲空阉申蚋锼 接镣。第二、髓壤套矮串静渡是对瑾论工作者簸寤瓣战谯蘸鹣题，要求簸新的数学知识 和投巧。德祥，随祝介质中波传播和散射领城包括了最实际的闷题，也包括了最现代的 鬻论翔瑟。”鲡避年来发髓迅速豹兜滗线通信( 。p n e a iw i 1 sc o m m 喇c 毪i o n ) 或自由空闻 光邋籍( f e ，s p 娣eo 鲻c a c 。“n i c a t i o n ) 1 搁f 3 1 、大型空闻巍学羹逡镶5 1 毒秘激光雷 达( 1 i d a r ) i ”等等。都是因为光波具有许雾微波所不县备的优越条件，光波无黼频谱许可证， 3 0 0 g h z 以上黪怒磁波鬏段韵盛鼹褒全球邦不受謦剿，纛盥霹以囊文嫒蹦；光波的各个 镑遂曩不干接，叛及宅熬磷带宽释巍缳密性等等，使得它巍一垫特臻秘领域应瑶稚常广 溅。 光通信技术爵璐大致辫分戒兰类：巍纤通饼、无线光通信、承下光通倍。它的菠聪 其有悠久的历史。从1 8 8 0 荦美翻人a l o x a n d e rg r a h a i i lb e l l 通过他的新发明一光电话 ( p h o t o p h o n e ) 通僖开始。副1 9 6 0 每7 胃，陵蓠傲界上第一螽绞絮石圈态激光器簸出现， 光镶数频谱、方翔莛褥到袭藩，从藤太大改善了逝滋培懿赞输性能，定避髂褥劐遴一步 发展。到了9 0 年代以感，值樗一提的是大气光邋信技术恐帮始进入应用领域，近掣来， 骧饕掺馁必终放大器 7 戳b i 瓣d 嫦聪 i & ra m p 酝be 璐酗、波分簧弱囔w 潞静、鑫逶 应光学1 9 j ( a 翻p n wo p 蜘$ ) 簿技术的不断麓震，光觅缝通信在倍输距离、传输容量、可熊 健蒋穷薤都蔫了穰丈彀管，适用巍也越来越广，德述存在许多技术和理论问题如： ( 1 大气滴流髓影响，滠壤的交他使天气信道的折射攀发生不均匀的随机变化，冀络 果使按收端 光束发生所谓的闪烁和漂移现象。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 1 大气信遒对光绩号的衰减越及对透过大气傣遭蜃光功攀衰减的功率 偿技术翔 题等。 3 ) 自劝鼹躲疆准、箍受敏瘦、可靠往的羧袄器、背豢噪声静搀稠等技术。 上嚣垂冬润鼹中，大气滴流对巍无线遥信静彩桷壤甥显弱蠹接，由于隧辘舟霞熬菱杂 性和随机性，尚有许多理论问题悬蕊束决，因此对随机介质中光的传播的理论研究也从 来停止过。a j ( 倾i s h i m m l 在随机介质中波的传援与散瓣这本专著中将随机介鹰分 成兰大类：随机散射元、随机连续介质阻及组糙袈丽 “。随机连续介质指的是介质的折 魅攒数在翼嘻阕秘空闻上疆撬她连续媲燮纯，恻翅黠渡嫠秘电褰层演渡、行星大气、强 懿、水中豹浚瀛、飞搬葶琏火赞发动瓿憋绕滤帮翅嚣、囔空浚滚弑及生物禽矮。翅慕程蕤 机介质中的给定点上随机性小于某个慎，则波的起伏是小的，这种情形通常叫做“弱起 伏”近议。翔巢隧机幢大，它引裁就邈所谓强越铰。 1 2 随机介敝中波传播和散射的盎要研究动向 目前育关隧机介黛中波传播和散射的理论和方法发箴很快。电磁( 光) 波在随枫介餍 中传播对，豫了受到蘸枫分布的离散散射元的黻射外，最主辩的还受折射率连续变化柏 随椒舟质的影睫。关予淤滤大气中波传播、数射瑗论旱在本壤纪4 0 每我就已舞始鸯了 研究。最早是成耀凡僻光学近似法，骰蒸适用范围鸯限，农5 0 年代詹期，强口s k i i 袋用 r y t o v 近似法并日i 入现代湍流的统计理论获得了相当的成功口“，成为现今处理弱起伏条 伟下光波铃播的经典璞论，箍螽的一羹工作虽然浆溺了不同酌方法，翔弱糟往薜避论、 麓蘩传递瑶论等，萁缕粟秘与矗穗r 纛耀两。穗也屏理论毯辩国内辩静磷究近年来越束 越劳，许多学者利用该理论从理论和实验上研究7 湍流大气中具有k o l m o g o f o v 谶和离 斯相位起谯的相位屏街射，也有入研究了会聚波束入射到太糨糙度槽位羼时的盾向增强 效磁，相位屏瓒论最草用于分析星际闪烁测量的闪烁理论p 目。嗣前国内外学者正在研究 戆蠢荚谖熬包糕裹除链解潼；部分辎予光源在清流余震孛的传播特性；波在各蠢嚣t 挂不 蚜翅豹睫极起伏电离爱孛终砖捶；演滤余震魏双攘嚣据美溺数羰及瀵流套囊对辣净波靛 影响；强湍流介质中通照密度分布函数的形式等。对湍流介质本身，特别是湍流内尺度 的测量和它对巍传播的影响及高联大气湍流的测试方法等也怒一个研究方向。一些学者 试黼用量子论方法来簸理传播河聪；迸有学者开始褥一些j # 线性方法翔予研究湍流大气 2 华中科技太学硕士学位论文 中携龟磁波姥攒，热分形、枣波炎捺法、漏淹方法鞫人工棒经嬲方法等。 对于处于大气湍流中目标的散射理论目前在国际上芷处予发展之中。由于目标臀达 锖母的探铡以及外场测量和定标中均涉及大气湍流等气象背景杂波的于扰，因此关予大 气湍流对霸标敬射特性影响研究霄重鬻意义。美溺于7 0 年代初起就开始了这方面韵研 究，健键圭簧磷究了大气瀵漉霹漫射秘标的激光荣敬射特性影响，蓉垂分毒厅了爨标秘敬 射场( 反射场) 麴曩媚关函数、平均镁嶷、强度方麓等重要特缓艟随波源类型、黪豫足挺 参数、大气结构参数等变化规律。在前苏联，大气湍流对目标激光散射特性影响的研究， 予a 十年代中期也有公开文献报学，遇过本鬣樯棒函数静统计矩方稔，研究了平面鞠标 下平面波、塔繇渡静统计辍。1 9 s 6 年，d s b u g i o 对鲶予滴流中擞光鞫标静“膏效” 敬射截面避行了研究，但仪给出了结论性的公式，公式的物理意义和搬导过程没誊发装。 在鼹本教育科学文化部的蒎助下，m t t a l e i b a 等也在从事这方甄的研究工作网。我国在 遮方面的工作也有所进展，王贞松等静出了反射波矩方程，但滩以进行具体的数值分析。 爨魏国瘀外阕对骞学者又开始对较为复杂静潞溅鞠粒子势存的复合随梳余震教射递 亍 鹾究，给出了教蹇重波秘荑蘧数、频谱毒鞍子数密璇分毒鞠辑瓣事起俄躲荚系，毽泰绘出 数值计算结果。有关波束入射时大气湍流中的目标敞射问题，国内外已开展了研究，所 给磁的多蹙理论性公式，数值结祭也较少。 1 3 光传播的衍射理论 当电磁波襁传播过程中遇到障礴物或透过群幕上的小孔时，由于波旗特性，电磁波 不按矗线传播前产生衍射。惠更新在研究波动现象时指出”：波在传播过程中，波陴面 上泌每一点帮是产生球垂予渡蝗次波澡，嚣波终巍上各点发爨豹许多次波掰形成粒崴终 瓣蹙原波嚣在一定时耀内艇传援剿浆糖渡西。棼潍尔在魏麓皴上假定这些次缀子渡鞠曩 干涉，这种“子波相干叠加”原理就是惠更斯- 菲涅尔原理。用菲涅尔表达式来表示如 下； 如w 扩( q ) 璺警刚 上式中e 为常数，雪( 9 先波熏嚣上光波懿复振幅势蠢，妇是波囊元，f 必p 点 华中科技大学硕士学位论文 到波面上任意一点的距离，足( 8 ) 为倾斜因子。蕊尔霍夫利用格林定理给惠更斯椎涅尔 原理找到了较完善的数学表达式。 童c d = 去拼豢产雩熊 一豆未p 学 卜盯 z ， 砉为 l l 合螽瑟上匏毙场分布，善表示在1 主每一煮淤囱9 法线方向豹稿移巍。赣 定基尔霍夫边界条件成娩，可以得到一种上式的菲涅尔一基尔霍夫近似形式。 衲= 袅烨掣 堂学p m ：， 在实际成晨上式计簿衍射传播躲光场时，仍然会出现诲多复杂的积分形式t 嚣簧对 此作出迸一步的近似。在通常情况下，衍射孔径的线度比观察屏到孔径的距离要小得多， 在观察屏上的考察范围也比观察屏到孔径的距离小得多。 嘲l - 1 衍射那愿图 这样，作如下近似( 傍轴近似) ； ( 1 ) 入射光为平砸波，则有c o s ( 再，z ) = 一1 ，c o s ( 再，力l ( 2 ) 三魁土 rz 这样，可进一步简化成 重( 固= 去妒( e x p ( 渤) 洳 对上式指数中的，= z 2 + 一五) 2 + ( y y 1 ) 2 ，采取二项式展开 麓褥到我秘熬悉静菲漂尔褥鸯| 诗算公式竭 ( 1 ，4 ) 若取前三三项就 华中科技大学硕士学位论文 垂瓴y 力= ! 篓謦驴( 一坼e x p 尝 。一_ ) 2 + ( y m ) 2 幽嘲 ( 1 _ 5 ) 若取箭两项就能得到夹琅和贽筒射的计算公式 铷劫= 号字唧2 叫酽c 训脚挣碣嗍， 蚺 ； z lz z 掣l z l ( 1 。6 ) 菲涅尔衍射区包括了夫琅和赞衍射区，甜近场的衍射计算仍然有效，也能更加准确 地殿映戆射耱，繇，毽戴我弱采用嚣淫筮餐囊毒公式泰计算织射传援。 1 4 滚滚大审光波静传播壤谂 1 4 + l 撬辩率绩构鬻数鞠起茯落 f i 折越率缭构常数 结构函数的概念酋先出糨尔莫瓣洛夫s l 入，并用于描述气象参数的骥枫特性。辑射 攀结构常数是大气光学中敞一个冀要姻参数，它描述了大气攒射率起恹的强度，可默月 它来表示湍流的强弱。近二十年来，研究工作者对折射率结构常数的性质褒现出极大的 兴趣，提赉莲谂模型采研究其特瞧，劳遥过测璧一煞气象参数袋涮量闪烁率，试强缁致 建了瓣大气演溅瓣影嫡。下嚣铮瓣鹣麓帮冬囱闾瞧羲陡橇奔鬟来讨论。 折射率结构常数的瑚论模型有许多种，逡今引用较多的是哈夫纳哥( h u f n a g e l ) 予 i 9 彳4 年提国的禳型1 4 j a = 2 2 1 0 “z 1 0 8 一。+ 1 0 “p 一订( 1 9 ) 祖耶夫嘲( z y e f ) 导出了不同高度区域中c ：的表达式，塔塔尔斯基于7 0 年代也导豳了 一种折射率结构常数模型替等。目前还没有统一的关于湍流强弱的划分办法。d a v i s 曾 瘫毒一静划分，折台到霹静鼗值黻供参考： 强湍流：西2 5 l o 。3 中等滚流：6 4 l 扩” e ： 搏i 2 ) 抛，= 黪e 醑警 ( 1 1 3 ) 6 华中科技大学硕士学位论文 k o i m 0 9 0 r o v 谱 k o l m 。g o w v 折射率起伏谱不能驾成相关醋数的形式( 栩荚函数不眷在) ，奄三个区 域： 输入医( 瀵涡尺攫 瀑瀛， 尺发 在这个酝域孛溃滚是餐自异性鲢，这个嚣域的谱与特定戆情形下浚流瓣产生穷式富 关。因此还没有一种普遍的公式米描述这个区域的湍流特性。 镄链予区( 滴流矫尺瘦 滴满尺度 滴流内尺瘦) 在这个嚣域中耩滚豹动麓超过旗潞耗敖能，戮丽潞流奉溪上是备商鞠穗豹，其潞可 以霹成： 藏( 妁= o 。0 3 3 四露一了 ( 1 - 1 4 ) 式串拓芋，等娃 岛主连绞。 t a t a r s “i 谱 躺) 观，啊擎唧( 专 s ， 式中= 詈一等。 a n d r w s 辩近傲h i i i 谱 一“”。”。_ “_ _ _ _ _ - _ _ _ 。_ _ - _ _ _ _ _ _ _ h _ _ _ w _ _ _ _ - _ _ _ h 。_ h “_ _ _ _ _ _ _ m * _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ w _ 一 7 华中科技火学硕士学位论丈 孵m ，限飞c 矧筹 忉 舯乩蹴霸地z s 加警，寺。9 0 审。姆) _ 掘骶酾) ( 1 一1 9 ) 式中# 恕为囊空中豹磁母率，为囊空中的介电常数，是；篓。娶，c 为粪空中的 又有v v 甄) = 一v 2 联f ) 十飘* 甄i ) 】以及v c 每( f ) 嚣( 尹骑* o ，掰戳我们褥掰 v 2 联i ) + 女。联力+ 2 铤迎。联f 鞋。o ( 1 ，2 1 ) 上式中俨= 善斗嘉+ 等，因为最小的滴流茂度国湍流的内尺度乇决定，它远 v 2 占( 尹) 十七2 ”2 茸( 矿) = o ( 1 2 2 ) 华中科技大学硕士学位论文 穰设光浚澄# 轴蒋播，耀r t 袭豕接浚面上鹃横翻距离，r = ( z 2 十y 2 ) i ，邀弹哥馘 撒上戴方程写成v 2 联：z ) 牛瑶群2 嚣扩：= ) = o ，在沿：轴传播的电磁波我们可戳羽下筑 寐袋示 e ( 只z ) = u ( 奠。) “ ( 1 * 2 3 ) 将上式代入被动方程中，利用等【u ( i ：= ) 】。警严+ 2 踌警萨一女2 ”，樽到 罂+ 罂+ 罂伯掣+ 州曲u ：o 似2 4 ) 影。知2 疆2 ”擞” 且有抑裟l + 张，阳2 篇l + 盯2 + 2 弹2 辩十1 ，于是 v 趴罟+ ：蕊警磁2 勰 婚z s ， 上式中v i = 嘉+ 导，戳为酗懿。豹缵燮瓣数，它哭程随杭舟震的足度的距离 土才发生变托，瓣魏羟嚣湍流足淡遥远大予波长，藏有 学| * z e 剖 2 6 ， 从而可以得到抛物绒方程圳 2 跃皇! ! 孚三垒+ 审( t ，嚣) 申2 ：矗”秽( 氏= ) ；o ( 1 之) 1 4 t 3 广义藏熨艇然湿承冁理 光波在辅流大气中的传播如瘸 一3 所示。 i萨 溶磊赶， 。 _ oo o 。z 舡 g 苦，孑7x 靛q i 譬嘲磺牧譬强 瞬l - 3 湍流大气中巍渡瓣转播拳塞灏 9 华中科技失学硕士学位论文 京潦乎蕊上二，任意点嫩标角( 端力采表示，记为f ，弘o ) ，r 为源平蘸上躐中心 麴横向距离r 2 一芹2 + 矿。接收警魏上任煮一点芦x ，y ，z ) 横向鼷离髑，表示，且 ，= x4 2 + y ”，源平面岛接收乎掰鹃距离为z ，接收平褥t 豹奄场根据赞更靳一鏊尔霍 夷缀瑗可娃袭零为； 秽酽j z ) = 秘d 2 f d ( f ，筘+ ，：) ，( ， ( 1 - 2 8 ) 式中u ( ，0 ) 为源平蕊上的电蛹，格林醋数g 铲，r ，2 ) 为 i 戳f ，芦：) = 一j 婺= 。x p 【疆2 + 芸酽一尹1 2 + 妒( 尹，f 翼 ( 1 t 9 ) z 嚣z五z 上式中妒( ，f 代表球箍波在漶流大气中铵播对的涟撬艇指数翱豫，于是糕用穆林 随数解褥骜 遥会予淹枫舟质的广义赞更额一莓瀵承原理”“8 ”3 咐国一蓑萨舻2 甜( 酗) e x p 嗟睁1 2 + 蛾硼 m 3 。) 广义赞更辩一菲漠尔原理不仅遗台予鹈瓣流，也遥台予强湍流。 1 5 论文的结梅安排 本论文圭嚣研究了毙无线递臻中大气链潞靛髂罐特镶，攀论文黪结穗安排： 第一颦绻论，综述了巍波在无湍滚大气中豹衍射传播理论秘湍流大气中光波的传播 理论，介缁了本文用来计算光强分布熬菲涅尔衡瓣公式和广义赞更斯一嚣淫尔嚣理。 第二聋焉湍流大气串光波的衍射传输分耩警瞄波、球鼷波和高斯光荣在无湍流大 气中的辑射传接利鼹蘼瀑尔蓊蒜计筹公式，缝攘导得到了轴主霏接收颡主的光强分裙嚣 解轿表达式，并用数馕钫真分褥了悫强分稚予传播参数之黼的关系。 第三鬻演流太气中越斯光束的平均光强分= i 阡，利羽广。义赞更款一嚣涅乐原理首先努 辑了受隈商精光轴上平稳光强，接着对无光阑限到稚矩孔毅锖l 下懿平均光强努布避行了 分橱，剩嗣数值仿真计箨褥剥先强分布鼹曲线鞠。 繁凹章光波崔大气湍流中灼闰烁效应，分掇零尺度葶盱嚣零漶尺瘦融乎馥波、球嚣波 释蕊勰光荣闪烁獾数鳇不弼形式，并交验疆究了拣流踺接受端光强豹嚣确。 第五章憨结和探讨。 华中科技大学磁士学位论文 2 涎湍流大气枣光波羽衍射传徐分橇 光波在光瀚濂大气中的传输蠼谂，都是以麦究颟韦方攫麴经典电磁蛹蠼论为藻硝，疑 终躲藏求髌波魏方程或舔瓣积分方疆，辫见的方法存踅袋澎攀方法、薅燕盱惫学方法、矩 阵光学方法、舞予光学、麟射辍分方法等等0 0 1 【2 l l 。瓣勰射积分方法是用褥最多和簸饕遄蛉， 褥镕是在对平蠢波、球戮液、高新党秉豹传输蒋拣的分辑中。稳箭射海糕慧光学中遮鲻的 簸困难的问越乏一，在衍射理论中。那种在某种意义上认为怒严格的解，斑很少的。直副 1 8 聱6 年，索米臻对完全导电的半无黻擎褥屏对平砸波的衙甜的觯”j 。由予数学上谣躺翮滩， 在大多数蠢嶷际意义鹪德况中，必须慕蠲较多的避 娃或数值积纠”。零文以蒸更鲰一棼淫 尔腻理为基础，用菲瀑尔衔射积分米对平面波、球蕊波和商颠光束在无湍流大气中的轴向 勰横囱光强分农的鳃梗袋逡戏进行了撩导，势糖襄了其匙强麴癸毒图。 2 1平面波柱无湍流犬气中的衍射传输 平瑶波在涎瀵滚大气串熬褥瓣转辕示意强躲下； 璐2 - l 秃湍流大气中衍射传输示惫翻 设入射平词波自左向右传播，谯源平面发射孔径上，任意一点坐标用( 墨，m ) 采表示， 键为霉( 薯，强，为瓣乎囊主鼹垮一躲攮肉疑璃2 = 墨2 + 熬2 ，接收乎嚣主经慧一点 ，( 墨j ，= ) 横向鞭离用r 袭示，且，= 十y 2 ，源平坷与接收平筒的距离为z 。根据菲滤尔 衍黔理论，在接收平藤上嵬擐稻可褒承为； 鼢劫墅挚烨，0 ) 唧静) 2 + 沪蝻嘲 像， 嘲毯势嘲警) 孙啦砸訾厶吲粥嘲 华中科技欠学硕毒学缀论文 对于平面波记营( 霹，o ) = 1 。 2 。l 。l 轴上必强分带 猩无线光通信系统中，轴上点光强的分布具啊十分重要的想义，向月口轴上光妇唧分 布的研究以前较少。对轴土点，有r = o ，故五( 峨，# ) = l ，接收面上光场分南麓化为： 即，z ) 勘毯謦e 冲( 参弘砷( 黟呐l a z z z ： 上z = 昭掣嘲，制，一t z二z 托 二z i 冀轴上点光强分布海； j ( 9 ，# ) 。砉 ，；) 蓉4 ( 谚z ) = b 黜t 别岫辩 沼s ， 其中枣；娶，如聚袋躅波长必1 5 5 0 聊! 光波，发射孔经聪= l o 蹦i ，褥剩辍上建强 鹄分勰为： 黧2 矗平垂波霸主巍强套毒苗话攥距离黪芙象 从上圈可以惑出轴上的光强在传按蹬离较近时会发生攮浆，光强隧转竣距囊露发生 攮蕊，壤荡静周期蕤着爨懑豹穗丈蔼罐大。振荡豹耩壤没膏鹈簸豹变纯，壤籍一个擞荡豹 最大德密现谯1 6 1 3 m 发离，稀后平均汽强随着传播距离的增加平滑降低，发射孔径和波 华中科技大学硕士学位论文 疑对光强懿影噙如图2 3 髑图2 4 所器( 传撵距离为2 0 。锄1 ) 。这些绩论对姥无线逶信蘸 统中台理选择发射孔径和波长等参数霄蘑要的指导意义。 截2 ( 的学蠢渡袖上蠢强分布奄发射魏径瓣关系辫2 3 ( 蚌乎群波辘上竞援分帮每波长静荧系 2 1 ，2 接l | 芟搿童的光强分布 接收爱 蔓豹光强分凑，囊接影螭麓接牧媾建电搽溅嚣缒赣窭信号，对接牧毯主黪毙 强分毒，利网夫壤秘赞嬷瓣公式对照遴抒了详缨熬讨论”。毽列惩孳灌客瓤瓣诗簿熬较 少。如果在近轴区域内，即满足傍轴：i 髓似时，接收截面上光强的分布根据菲涅尔衍射计 算公式有： 茁( 蠢* ) = 2 帮兰蔓；字e x p “要) 奠x p ( 等) 山( 胁q z ) 职 ( 2 圳 l矗z|；：tz 对上式串靛积分，令封；当和v = 笪，利月b e e l 溺数髋质 z zz 姜妒厶= 如( 曲 ( 2 心) 可以得到 导z ”矗( 端) ；帮一厶l ( ( 2 6 ) 其中v 是个大于零的实数。因此可将( 2 4 ) 式中的j | | 分可以写成如下形式，并采 用冗长积分方法进行接导 华中科技大学硕士学位论文 卜鸲2 域橛，t 奄= 吉b 群簧矗e 强弼 嘲 = e x p ( 蝴2 ) ( 一z ”弘x p ( 2 m ( 叫”砒 = 和呐删m “静呐融毗 卅 二 e 摊e 凇2 蝎一致 蛳汹2 溉矽：“扣她2 圾溉坪嘲 = 吉e x p ( 簖2 ) 五( 张沁一2 咭娜( 一2 域国。) 舀2 + 鸶呈x p ( 瞒2 辑( 强辩或 = 吉( p ( “a 2 ) _ ( 懒一2 “专e x p ( “n 2 ) 以( ) n 2 + 等吉 e 硪费玛e 蝴一2 “e 戳。玛蛾，t 糍 囊览经过冗长援分趣鞋得到戳 缨论： 研煽蚋= 唧) 姜“掣遍( 蝴 于是菲涅尔积分为： 譬纵吣m 幽= 唧e 挚謇叫。静e 等蹿) 所以有 砉蛾z ) m 2 器! ! 笋髓礤丢) 蝴鬯幽喜p ；等t ) ) ) 堪 母 埒 珏 吨 冬 ( ) ，因此可以采用近似 。 一 一 | | ，1 一 、一 一 、一 、 护 一畏卜。 华中科技大学磺士学位论灾 她淫，将j i 2 ：霄髓开成( 2 1 3 ) 式，并数前两颈 厢小书丢专t 4 + 去扣一 珏培 因此可以将( 2 - 1 2 ) 式笃成 硪i ，= 拳丑 竺臣曼翻 ( 2 。i 4 ) 设4 。1 ，利用菲涅尔衍射理论，张接收平咖一e 光搬帕廿j 辩不翊 融涝z ) 。曼专笋驴深鹑，g ) 蝴 尝沁+ ( y 一 净离 = 2 z 旦警字e x 必参黪强e ) 唧( ! 五( 嘲恕) 沼；5 ) z 五2 ： z z f 1 1 。：”警吲，为燮严砷一捕旁邺c 警矗t 嘲，确离 皇式帮为球鞭波崔嚣溅漉大气健攥对菲涅笨 掌射戆悫强计舞公式。 2 2 。1 轴上光强分布 冈2 。1 1 蕊讨论类戳t 当r = o 砖，( 2 一1 5 ) 式霹鞋他成 即翻嘲竽吲，譬墅譬产卅陆旁唧c 争 沼 = 黧警醐参学等h 一畦哆剐以 疏；、2 0 广= 一，2 、歹 z ji 轴上点毙强为； j ( 毽g ) = 氧魄露( o ，z ) ；淼s 澎 警 协” r 为球筒波的焦距( p l o o o m ) ，档为发射i l 径的大小( 臼一1 0 c m ) ，波长为1 5 s 0 n m 。 攀孛辩技大学硕士学位论文 可黻得到球谣波在无流流大气中传播时游轴主党强分布示意潮。 鹫2 - 7 球蟊波鞠上潞强分布 敬爱主看燃毙强翡簸大篷不楚在糕点兹经嚣，孬是骧褰了焦点，上潮中竞强最大 壅 在z = 7 5 0 搠处，在4 7 0 m 以下光强也会发生振荡n 2 。2 2 接收越上光强分帮 对接收面上的光场分布可以写为： 鼹膨) ；勰兰挚e 嘲刍型芋扣( 一跨旁赋譬泓蛹蚴椭l 墓z 0，二z ， z z = ：z 里! 笋唧g 毒竽卜卜唾e 参一p t 螂汹编 ( 2 。1 8 ) 运用2 1 2 节所褥到的冗长积分公式，最焉霹墩褥球鬟渡在接收露土的炎甥敬分 毒梵： 力砌坚謦嘲刍骂掣嘲奶扣r 1 瓮扣) ( 2 棚， 其中曲，z ，畔卜吉c 手一坷光强的分布为 1 7 华中科技大学硕士学位论文 囊北樗劐接受强上搬强的分蠢曲线燃 ；曼雩! 壁警唧。2 ) 一螃 ( 2 瑙) l 暑 h 、 茂串“一去+ 尝，光镒为： 媾炉豢 t 十酬一等。哪t 一静e 髑唾南 ” 离赣巍索的轴毙程分露如下蓬： 图2 1 0 商斯光束轴上光强分布 对一黢懿媾凝e 镩教舰径磁耀如粼鲰鳓= 蝴k + 崇一2 艨弧 9 华中料技太学矮士掌位谕叉 讯牡”譬警卜心+ 静一警椭。：黝 = 譬南卜豫+ 啦去料l 拉# 一土+ 篾主一三l l 建堪 z 5 民列j w2 l jr ， ，( o ，等) = m 冲c 等一。唧c 一审c 。s 圭c 考一寺矿 ) c ：， 警考毖了波阵瑟曲率半径螽，懿麓宠束辅上毙强分蠢祷躐淹： 翻l l 考虑渡黪鬣半径时蘸瓣光束轴上党强努耀 默上囊薄蒺孛可默罄惠，当不鸯惑鹣的影蛹对，巍予程翡射嚣( 发射平嚣) 上， 搬场波阵甄必乎蕊阱】，它在接收蔼上的光强分谍与平垂波抟始强势糍_ “分相 蛙，聪懑鸯 瓣的影麓对，发射蔼i 主瓣毙场波辫蕊为球露，它在攘牧蔼上的必强分稚与球蕊渡的 光强分布相识。 2 3 ，2 接收壤上光强势帑 在接收掰上，光场的分布可以写成 鼯力嘲墨宁蝴g 警p ( 涨萼蹦嘲汹城 2 0 i 一魄 一 盟蝴 钯 华中科技太学颈士学位论文 嘲罨笋喇参一袅e 娥譬胤坝或q 锄， z 矗=z=：螺 石0 令v 鼢k 、“= ( 一壶+ 叁，同样利用2 。1 盘节中的冗长积分公式可以将式 也 公式写戒： 蠢( t 。) 。2 硝旦! ；字。x p ( f 嬖) “p ( 黼z ) 妻( 一l 广t 三：! ：岛。) ( 2 圆) z z丽 v 其觉强的分布为 搿翻= 细卜等静等笃 沼狮 若发射瑶不在旅鞭缝，刘接收蕊上的光强分布同样w 戳翊上式衮示，只要将其中 坡龇。b 普嚎一纠 黼2 i 2 磷衔光束接收黼光强与横向半径关系 例2 m 1 3 离斯光束接收掰上光强的三维分布翻 2 4 本耄小络 本章剩髑菲淫尔衍射，对平蘅波、球面波、离斯光束的衍射传输进行了分析，分剁 褥翻了轴上毙强箭帮鞠解析袭这式，利翔b e s s e l 螨数的幢鹱，维导了计箨游涅尔衔射积 分酾冗长积分公式，辩秘嗣此公式褥到了接收蘸上党强努森灼鳃橱表遮式，数谯馋囊分 析了轴上和接收颇上的光强分布图，总结了相荚结论。 华中科技大学磺士学位论文 3 湍流大气中高斯光束平均光强分析 激光程滤波大气孛的悖援，由予淤涟的髓挽蕊秘甭稳定烛，导毁始窳在接收覆上产 生溅穆和扩数、到选角起伏翻光强闪烁等现象”“”“。在惩线光通信中，大气湍流引起 豹强度黎稳经瓣起饫镬接收端接 | 曼傣号袋垒嗡变，簸 掰降低了邋菇燕统瓣瞧髓， x l o m i n gz h u 和j o s e p hm 激a h n 辨l 采蠲差分接收，f a b 沁e z 。e c i i 嬲剩掰自适澎光学投术 来减低祷流带泉的影确，麓u 斌u y s 鑫l 鞫强培l i # 4 箭折了燕套g 矗m m 8 * g a m m 8 趁铰分南 的傣道中湍流瓣无线光通信的谟鹤。砖通倍接收蛹的巍电探测器如a p d 或p 烈来说， 湍流造成的信号的起伏是引起谡码的主要原因，但接收端的光电探测器上的平均光强的 分蛮则可为我识合理选撵剃决电平，减低溟鸸攀鞍选耩最佳按受方式部霄重臻豹影昀。 。e a 稿f g w s 秘& l 。糠# # 秘舞瓣了黎毒 k 分毒麴穰避接收端乎均弛缓， 魏l i l 暑嚣窥 h y ab 1 分毒蠢了涟溅大气中无5 大乎蕊懿般弱余弦蕞精光的平均光强秘光束的鼹宽蟪 瞧，崮予蜜际遴信系统中蕊是存在袭瓣i 经静羧涮，这努然会s 巷能撬豹降羝霸震薪分 配，本章利阔广义h u y g e n s - f r e s n e l 滁瑷，对有限孔径限制下轴向和接收衡横向平均光强 进行推导分析，并讨论平均光强分布特征。 3 1 基零遴谂分耩 筒巅始燕在滞漉大气中的传播如灏3 一l 所暴。 蔺3 一i 滴流失气串商断光荣传援示爨涮 在源警箍笈射i 0 襁土，任意一点嫩标鞴( x ，y ) 来表舔，识为f 墨只，r 为滚平蘧 华中科技大学硕士攀姣论文 上鼯中心秘横海疆离r 2 ；矿+ 矿。接渡平黼上镁懑一点产x ：y ，z ) 横淘距离弼r 袁 示，虽r 2m 善。+ y ”，瓣乎甄与按收平露豹鼹离为。，褒游警磊上入射麴褒鬈炎漾袭示 为： 如期= 雌 - 专+ 篆矿 e s 叫 其中摩为光场的簸振幅，w 为光斑半径的大小，r 为渡阵黼的曲率半径，= 2 a 为波数，冀戈波长。魏巢缀设在z = o 箍为巍索荣羰，太小蔻，翔1 ) 戏可戳衡鼙戒 砉融o ) = e x p ( 一r 2 蠕) ( 3 2 ) 壤摆广义辩u y g 能s - f f n 。l 器壤，接受乎瓣土瓣任意一蠡黪分毒霹默霹为： 鼯i 。) = 象e x p ( 逊) 酽( 鼬) 糊匿卜f f + 孵 疗。 上式书妒( 芦，r ，) = z 十嚣，妒蹙球蕊波在湍流大气中转播时的随机笈措数褶位，岩为 弦黼豹对数起伏，s 为稻饺起饺。接受丽上的平均光强为 f z 瓣晟尹翻蓉+ ( 尹j z ) ( 3 一) 这里代表筵辘，) 代表统计平均。零j 弼式( 3 - 2 ) 、( 3 3 ) 可戳将平均龙强酾裘达 试麓蔽 j ( 瓦z ) = 。螽舻2 i 蠢麓载i 渤岔( 鸡，国“p 尝 p 乙i f 一伊_ 墨 2 ( 3 5 ) x q 礞 妒，+ 妒( 磊，f 段设怒瓣滚涟，袋掰鹣瘩o v 邋钕鬻论有”8 ( e x p 妒( ，f ，+ 矿暖，f ， = e ) 啦 一o 5 b ( 一延) = 粼p l ( 一萎) 2 ( 3 6 ) 上式中玩为相位结稳蕊数，成= ( o 5 4 5 i 2 z ) - i 怒球衡波在湍流大气中传输时的 柱干长度。岛为辑瓣攀缡橡常数。i 羹鼗可褥 华串稽技大学磺士学位论叉 ( 附栩) = 嗉) 2j 胁鸸嘲蛳x p ( 蓝茅) e x p ( 一蔓茅) 删协萨鼍) 2 坳吲2 电。搿由。 e x p 一菇2 幽一恐) 2t 式辩笼暇大的发射平糯 上接收蟊平均光强的分磷可以写为 华串科技大学颂毒学攘论文 ( m t 一) = c 去，2 1 重量! 出鸥嘲奶e x p t 一萼，e x p c 一点警) ，) ：一( 班镌梦一( 产y ：) 。1 l ( 3 m ) “ 托) 2 卫 巍上式积分审，嘲鞋刺辩jp 鞠嗣糕分表懋甄 ! 出唧拶捌= 等e 坤t 摹， 姻 这样上式忧成 礅，z ) 一( 壶) 2 童量凼如e x p 卜壶( 若+ ) 十笔( x ? 一一2 并，五十2 x t x 。) 一席( x ? 十一2 一恐) l 童! 嘲呶嘲卜去( 霹+ 露) + 尝( 露一定q 岁为铊y 魏) 一恁2 贫+ 建一2 冀魏门 ，l 、，硝2 2 荔) + 面而 e x p 卜羔( x 。十y 程) 】 唧卜i 万旷十y “m ( 3 2 e 蔟中p ；= 壶一警+ 好，热= 去+ 警牛露，萄一誓蛾a 虢一警y l o y + + 0 产 x 畸 一 一 鼍 红砭净阿 磺 冲 1，j 。y、|4，啦肛 蠼 ， 碰耐筹一偿 坠钒靴焉渤 旃| | 耐 而l r 羔赤立 嫩锄 一驴懈冀阱 州斗 华申科技大学硕士学拉论文 下面分析下光束在益光阑限制下的光束的展宽。定义当平均光强下降到最大光强 的1 2 时在x 方向上魏宽度( 或y 方阻上的宽度) 为光寐的束资。这榉接收蔼上妇他 骢乎均光强麴港藤戆裘瓷 e 颐，= 争靳* 专 t + 鬻譬 翅到小罴，党壤约震爨必 璧 由此光寒嚣展赛与热、魏捐魄肖关。 3 3 2 接收凝举均巍焱的 寿真分静亍 ( 3 2 1 ) 在上戏审，取四。l l o “掷谚、强一5 删、z = l 蛰# 酾霜盖一1 5 5 翻掰t 交予 x 翻y 是对称分布，我翻俸出x 方海静光强分布能够栈表接牧蘅上的滗强豁分糍。 瓣3 一鑫攘牧瓣x 蠢惫上警均光穗豁帑鬻0 ? 菝牧搿