大气湍流光强闪烁效应的抑制技术研究

1、LOGO大大气气光强光强闪烁闪烁效效应应的抑制技的抑制技术研术研究究n 研究背景与意义研究背景与意义n研究历史与现状研究历史与现状n光强闪烁的抑制技术光强闪烁的抑制技术n总结与展望总结与展望主要内容主要内容研究背景研究背景自由空间光通信（自由空间光通信（FSOFSO）是一种新型的通信方式，它利用光波作为）是一种新型的通信方式，它利用光波作为信息载体在空间域中进行信息的传递。它包括很多的应用领域，例如：信息载体在空间域中进行信息的传递。它包括很多的应用领域，例如：深空、中轨道、地面站之间的深空、中轨道、地面站之间的 FSO FSO 通信，在某些情况下还可以利用其通信，在某些情况下还可以利用其进行

2、卫星与地面站之间的通信，一般情况下又把地面站之间的激光通信进行卫星与地面站之间的通信，一般情况下又把地面站之间的激光通信称为大气激光通信。称为大气激光通信。自由空间光通信具有带宽很宽、无需频谱许可证、部署快速便携、自由空间光通信具有带宽很宽、无需频谱许可证、部署快速便携、成低等优点成低等优点。但是，易。但是，易受到受到大气湍流的影响，大气湍流的影响，大气湍流会导致大气闪烁大气湍流会导致大气闪烁、光束漂移、到达角起伏和相位畸变等效应，对无线光通信系统的信噪、光束漂移、到达角起伏和相位畸变等效应，对无线光通信系统的信噪比、误码率等性能指标产生很大的比、误码率等性能指标产生很大的影响影响11。因此，

3、为了克服大气湍流的因此，为了克服大气湍流的影响、实现有效的信道补偿，需要进行大量的实验研究和理论探索。影响、实现有效的信道补偿，需要进行大量的实验研究和理论探索。 1 Wu X, Liu P, Matsumoto M. A Study on Atmospheric Turbulence Effects in Full-Optical Free-Space Communication SystemsJ. Wireless Communications Networking and Mobile Computing (WiCOM), 2010 6th International Conferenc

4、e，2010:1-5.研究历史与现状研究历史与现状为了抑制大气湍流带来的闪烁效应，从而降低闪烁误码率，增大有为了抑制大气湍流带来的闪烁效应，从而降低闪烁误码率，增大有效传输距离，国内外的学者做出了很大的努力，提出了多种抑制方法效传输距离，国内外的学者做出了很大的努力，提出了多种抑制方法，如如: 加大发射加大发射功率；增大接收孔径功率；增大接收孔径2； 采用微波链路作为采用微波链路作为系统备份；系统备份；采用采用自适应光学技术补偿湍流造成的自适应光学技术补偿湍流造成的影响影响；采用采用部分相干光传输部分相干光传输技术技术；采用分集接收技术减弱采用分集接收技术减弱光强光强起伏等。而随着技术的不断发

5、展，目前，最起伏等。而随着技术的不断发展，目前，最有前景的就是自适应光学补偿技术、部分相干光传输技术以及分集接收有前景的就是自适应光学补偿技术、部分相干光传输技术以及分集接收技术。因此，我们从这三个方面讨论技术。因此，我们从这三个方面讨论2 Kaur 2 Kaur P, Jain V K, Kar S. Effect of atmospheric conditions and aperture averaging on P, Jain V K, Kar S. Effect of atmospheric conditions and aperture averaging on capacity

6、capacity of free space optical linksJ. Optical & Quantum Electronics, 2013of free space optical linksJ. Optical & Quantum Electronics, 2013, , 46(9):1139-1148.46(9):1139-1148.u 自适应光学自适应光学补偿技术补偿技术迄今为止迄今为止，国内外对自适应光学技术对大气激光通信系统，国内外对自适应光学技术对大气激光通信系统补偿效果进行了大量的分析研究，用以评估自适应光学技术对补偿效果进行了大量的分析研究，用以评估自

7、适应光学技术对于降低大气湍流效应对通信系统性能的影响。在国外，以美国于降低大气湍流效应对通信系统性能的影响。在国外，以美国的的 Tyson Tyson 为主要代表，给出了为主要代表，给出了 OOKOOK，IM/DD IM/DD 模式下光强起伏模式下光强起伏与误码率的理论关系式，同时仿真结果表明：星地激光通信系与误码率的理论关系式，同时仿真结果表明：星地激光通信系统中自适应光学技术的使用可以降低由于大气湍流所造成的信统中自适应光学技术的使用可以降低由于大气湍流所造成的信号衰减和起伏程度，使通信系统的误码率提高几个数量级号衰减和起伏程度，使通信系统的误码率提高几个数量级。美。美国马里兰大国马里兰大

8、学的学的Thomas WeyrauchThomas Weyrauch等人于等人于20042004年开展了年开展了2.3km2.3km大大气水平传输通信实验，进行了倾斜和大气像差校正。气水平传输通信实验，进行了倾斜和大气像差校正。在国内，在国内，20102010年韩立强等年韩立强等33在在gamma-gammagamma-gamma分布大气湍流中分布大气湍流中, , 用自适用自适应光学技术对自由空间光通信系统进行补偿应光学技术对自由空间光通信系统进行补偿, , 进行通信系统误码率的分进行通信系统误码率的分析析, , 给出了上行链路和下行链路的模拟结果。给出了上行链路和下行链路的模拟结果。2012

9、2012年武云云等年武云云等44从实验从实验和仿真两方面研究了自适应光学（和仿真两方面研究了自适应光学（AOAO）补偿大气湍流的影响）补偿大气湍流的影响，并提出接，并提出接收收端端AOAO校正校正后，平均后，平均误码率比校正前降低误码率比校正前降低2 23 3 个数量级；个数量级；发射端发射端AOAO校正校正后，平均误码率比校正前降低近后，平均误码率比校正前降低近7 7 个数量级。个数量级。20142014年年55刘超等针对大气刘超等针对大气湍流引起的激光光强、相位和传输方向的随机变化对大气激光通信质量湍流引起的激光光强、相位和传输方向的随机变化对大气激光通信质量的影响，开展了用自适应光学（的

10、影响，开展了用自适应光学（AOAO）技术校正大气湍流影响的研究。）技术校正大气湍流影响的研究。33韩立强韩立强, , 王祁王祁, , 信太克信太克, , 李志全李志全. .基于自适应光学补偿的基于自适应光学补偿的自由空间光通信自由空间光通信系统性能系统性能研究研究J.J.应用光学，应用光学， 2010,31(2)2010,31(2)：301-304.301-304. 4 Wu Yunyun,Li Xinyang. Research and Simulation about Effect 4 Wu Yunyun,Li Xinyang. Research and Simulation about

11、Effect of Adaptive of Adaptive Optics Optics on on Atmospheric Optical Atmospheric Optical CommunicationJ. Acta Optica Sinica, 2011, 31(s1): CommunicationJ. Acta Optica Sinica, 2011, 31(s1): s100212.s100212.5 5 刘超刘超，陈善球，陈善球，廖周廖周. .自适应光学技术在通信波段对大气湍流的自适应光学技术在通信波段对大气湍流的校正校正J.J.光学精密工程，光学精密工程， 2014,22(10

12、):2605-2610. 2014,22(10):2605-2610.u 分集接收分集接收技术技术分集分集技术是目前抗衰落的最有效措施之一，技术是目前抗衰落的最有效措施之一，它可以它可以通过处理多个不相通过处理多个不相关的信号，从而达到改善关的信号，从而达到改善系统传输性能系统传输性能，克服克服大气湍流引起的光强闪烁效大气湍流引起的光强闪烁效应应的作用；目前的作用；目前用于对抗大气湍流效应的分集用于对抗大气湍流效应的分集技术有技术有阵列阵列接收、多接收、多光束光束传传输输等等Ibrahim等等人人首先提出可以首先提出可以将分集技术应将分集技术应用于用于自由空间自由空间光通信光通信系统来系统来

13、提高提高 传传 输输 性性 能能 的思想的思想Fernandez等等人证实了人证实了相干相干检测检测分集技分集技术术可以有效地可以有效地补偿大气湍流补偿大气湍流的的影响影响刘洋等人对弱刘洋等人对弱湍流信道无线湍流信道无线光通信分集接光通信分集接收合并技术进收合并技术进行研究分集接行研究分集接收合并技术具收合并技术具有较好的有较好的抗大抗大气信道衰落气信道衰落能能力力6柯熙政对强湍柯熙政对强湍流信道无线光流信道无线光通信分集接收通信分集接收技术进行研究技术进行研究，分集接收分集接收能能在很大程度上在很大程度上改善大气激光改善大气激光通信的通信的性能性能76 6 刘刘 洋，洋，章国安章国安. .弱

14、湍流信道无线光通信分集接收合并弱湍流信道无线光通信分集接收合并技术技术J.J.激光技术，激光技术，2014,38(5):698-702.2014,38(5):698-702.7 7 柯熙政柯熙政，刘妹刘妹. .湍流信道无线光通信中的分集接收湍流信道无线光通信中的分集接收技术技术J.J.光学学报，光学学报，2015,(1).2015,(1).WolfWolf和和CarterlCarterl提提出了出了准单色准单色的高的高斯部分相干光源斯部分相干光源的概念的概念SchulzSchulz首先首先在理在理论上论上证明了证明了部分部分相干光具有减小相干光具有减小闪烁的闪烁的特性特性柯熙政对部分柯熙政对部

15、分相相干光在大气湍流干光在大气湍流中的光强闪烁中的光强闪烁效效应应进行进行了研究了研究9910111011Salem Salem 等从等从理论理论上分析了大气湍上分析了大气湍流中部分相干光流中部分相干光比比完全相干光完全相干光更更适于进行长距离适于进行长距离传输传输张张磊磊等人实验测等人实验测量了不同空间相量了不同空间相干度的部分相干干度的部分相干光在实际大气湍光在实际大气湍流中传输的闪烁流中传输的闪烁指数指数8888张磊张磊, , 陈子阳陈子阳, , 熊梦苏等熊梦苏等. . 部分相干光在大气湍流中传输的闪烁指数部分相干光在大气湍流中传输的闪烁指数J. J. 强激光与粒子束强激光与粒子束, 2

16、014, 26(9):71-75. , 2014, 26(9):71-75. 9 9 柯熙政柯熙政, ,韩美苗韩美苗, ,王明军王明军. . 部分相干光在大气湍流中斜程传输路径上的展宽与漂移部分相干光在大气湍流中斜程传输路径上的展宽与漂移J. J. 光子学报光子学报, 2015, 44(3, 2015, 44(3):0306001 .):0306001 .1010柯熙政柯熙政, , 韩美苗韩美苗, , 王明军王明军. . 部分相干光在大气湍流中水平传输路径上的展宽与漂移部分相干光在大气湍流中水平传输路径上的展宽与漂移J. J. 光学学报光学学报, 2014, (11)., 2014, (11)

17、.1111柯熙政柯熙政, , 张宇张宇. . 部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应J. J. 光学学报光学学报, 2015, (1)., 2015, (1).u 部分相干光传输技术部分相干光传输技术大气闪烁效应的抑制技术大气闪烁效应的抑制技术采 用 部 分采 用 部 分相 干 光 传相 干 光 传输技术输技术大气闪烁抑大气闪烁抑制技术制技术采 用 分 集采 用 分 集接收技术接收技术采 用 自 适采 用 自 适应 光 学 补应 光 学 补偿技术偿技术u1. 部分相干光传输技术部分相干光传输技术uuuuuu图图1 1 弱湍流下部分相干光的光强起伏方差随弱湍流下

18、部分相干光的光强起伏方差随距距 离离的变化的变化从图中可以看到，在弱湍流条件下，从图中可以看到，在弱湍流条件下，传输相同距离时，随着大气折射率传输相同距离时，随着大气折射率结构常数的增大，部分相干光的光结构常数的增大，部分相干光的光强起伏方差也随之增大且大气折射强起伏方差也随之增大且大气折射率结构常数越大，光强起伏方差随率结构常数越大，光强起伏方差随传输距离增加的速度越快，这是由传输距离增加的速度越快，这是由于随着大气折射率的增大，湍流引于随着大气折射率的增大，湍流引起的接收光强度随时间和空间位置起的接收光强度随时间和空间位置的随机变化增强而导致的。的随机变化增强而导致的。u图图2 2 弱湍流

19、下光束的光强起伏方差随距离的变化弱湍流下光束的光强起伏方差随距离的变化从图中可以看出，在弱湍流条从图中可以看出，在弱湍流条件下，光束的光强起伏方差随件下，光束的光强起伏方差随着传输距离的增加而增大。传着传输距离的增加而增大。传输相同距离时，部分相干光的输相同距离时，部分相干光的光强起伏方差明显小于完全相光强起伏方差明显小于完全相干光，并且随着相干长度的减干光，并且随着相干长度的减小，即相干性下降，部分相干小，即相干性下降，部分相干光的光强起伏方差也在减小。光的光强起伏方差也在减小。由此可见，弱湍流条件下，部由此可见，弱湍流条件下，部分相干光受湍流影响小于完全分相干光受湍流影响小于完全相干光。相

20、干光。在强湍流环境下，仿真得到在强湍流环境下，仿真得到光强起伏方差随传输距离的变化曲线光强起伏方差随传输距离的变化曲线图图3 3 强强湍流湍流下部分相干光的光强起伏方差随下部分相干光的光强起伏方差随距距 离离的变化的变化从图中可以看出，与弱湍流下得出从图中可以看出，与弱湍流下得出的结论类似，在强湍流条件下，光的结论类似，在强湍流条件下，光束的光强起伏方差随着传输距离的束的光强起伏方差随着传输距离的增加而增大。传输相同距离时，部增加而增大。传输相同距离时，部分相干光的光强起伏方差明显小于分相干光的光强起伏方差明显小于完全相干光，并且随着相干长度的完全相干光，并且随着相干长度的减小，即相干性下降，

21、部分相干光减小，即相干性下降，部分相干光的光强起伏方差也在减小。由此可的光强起伏方差也在减小。由此可见，强湍流条件下，部分相干光受见，强湍流条件下，部分相干光受湍流影响小于完全相干光。湍流影响小于完全相干光。u从图中可以看出，与弱湍流下得出从图中可以看出，与弱湍流下得出的结论类似，在强湍流条件下，光的结论类似，在强湍流条件下，光束的光强起伏方差随着传输距离的束的光强起伏方差随着传输距离的增加而增大。传输相同距离时，部增加而增大。传输相同距离时，部分相干光的光强起伏方差明显小于分相干光的光强起伏方差明显小于完全完全相干光，并且随着相干长度的相干光，并且随着相干长度的减小，即相干性下降，部分相干光

22、减小，即相干性下降，部分相干光的光强起伏方差也在减小。由此可的光强起伏方差也在减小。由此可见，见，强湍流强湍流条件下，部分相干光受条件下，部分相干光受湍流影响小于完全湍流影响小于完全相干光。相干光。图图4 4 强湍流强湍流下光束的光强起伏方差随下光束的光强起伏方差随距距 离离的变化的变化u从图中可以看出，传输距离越大，从图中可以看出，传输距离越大，光强起伏方差的改善比光强起伏方差的改善比越越大，大，即采用部分相干光对光强起伏的即采用部分相干光对光强起伏的改善程度越小。近距离传输时，改善程度越小。近距离传输时，弱湍流下的改善比弱湍流下的改善比小于小于强湍流，强湍流，说明近距离传输时，弱湍流下采说

23、明近距离传输时，弱湍流下采用部分相干光对光强起伏用部分相干光对光强起伏方差方差的的改善程度大于强湍流，但随着传改善程度大于强湍流，但随着传输距离的输距离的增大，弱增大，弱湍流下的改善湍流下的改善比比会会超过强湍流，说明当传输超过强湍流，说明当传输距离距离增大到增大到一定程度时，弱湍流一定程度时，弱湍流下采用部分相干光对光强起伏方下采用部分相干光对光强起伏方差的改善程度会小于强湍流。差的改善程度会小于强湍流。图图5 5 光强起伏方差改善比随传输距离的变化光强起伏方差改善比随传输距离的变化2.2. 分集接收技术分集接收技术u分集接收集中处理uuu图图1 1 不同不同接收天线数、不同信道参数接收天线

24、数、不同信道参数下下MRC MRC 合并的误码率性能合并的误码率性能仿真仿真图图2 2 不同接收天线数、不同信道参数不同接收天线数、不同信道参数下下EGCEGC合并合并的误码率性能仿真的误码率性能仿真由图由图1 1和图和图2 2中中可以看出，可以看出，MRCMRC合并合并算法与算法与EGCEGC合并算法相合并算法相较无分集时性较无分集时性能有很大改善，且随着接收天线数目的增大，性能越来越好，能有很大改善，且随着接收天线数目的增大，性能越来越好，说明说明两两种种合并合并技术可有效地改善系统误码性能，具有较强的抗衰落能力，而技术可有效地改善系统误码性能，具有较强的抗衰落能力，而且随着分集支路的增大

25、，对湍流的抑制也愈加明显。且随着分集支路的增大，对湍流的抑制也愈加明显。图图3 3 不同不同接收天线数下接收天线数下MRCMRC与与EGCEGC的的误码率性能比较误码率性能比较图图4 4 不同不同信道参数下信道参数下EGCEGC与与SCSC的误码率性能比较的误码率性能比较从图从图3 3和图和图4 4中可以中可以看出，看出，SCSC也也对对系统性能有很好的改善，能有系统性能有很好的改善，能有效抑制大气湍流效抑制大气湍流引起的衰减，但是相比较而言，引起的衰减，但是相比较而言， MRCMRC合并合并算法算法要优于要优于EGCEGC和和SCSC算法。算法。3. 自适应光学补偿技术自适应光学补偿技术自适

26、应光学技术是一种具备实时校正光学系统由大气湍流引起随机自适应光学技术是一种具备实时校正光学系统由大气湍流引起随机误差的技术误差的技术, ,使光学系统使光学系统能适应能适应使用条件的变化而保持良好性能使用条件的变化而保持良好性能, ,从而能从而能够够有效有效补偿大气湍流效应引起的补偿大气湍流效应引起的误差。误差。基于自适应光学的自由空间光通信基于自适应光学的自由空间光通信系统模型系统模型自适应光学自适应光学系统主要由波前传感器、波前系统主要由波前传感器、波前控制器控制器和波前校正器三部和波前校正器三部分组成分组成, ,如图如图1 1所示所示。图图1 1基于自适应光学自由空间光通信系统框图基于自适

27、应光学自由空间光通信系统框图光发射机发出的光束经过大气湍流后光发射机发出的光束经过大气湍流后, ,波前传感器进行波前测量波前传感器进行波前测量, ,然然后通过波前复原算法重构出波前信息后通过波前复原算法重构出波前信息, ,波前控制器将波前传感器探测到波前控制器将波前传感器探测到的信号经过控制算法转化为波前校正器的控制信号的信号经过控制算法转化为波前校正器的控制信号, ,驱动波前校正器改驱动波前校正器改变波前形状变波前形状, ,从而有效地校正各种扰动对激光光束质量的影响从而有效地校正各种扰动对激光光束质量的影响, ,得到接近得到接近衍射极限的输出激光光束衍射极限的输出激光光束, ,最后经过自适应

28、光学系统校正的光束送入通最后经过自适应光学系统校正的光束送入通信系统接收机信系统接收机, ,进行光电转换进行光电转换, ,从而得到源信号从而得到源信号。光波在湍流大气中传输时由于折射率的起伏光波在湍流大气中传输时由于折射率的起伏使其散射强度会发生起使其散射强度会发生起伏伏，即即出现所谓的闪烁现象，光束经过自适应光学补偿系统校正，其效出现所谓的闪烁现象，光束经过自适应光学补偿系统校正，其效果就相当于滤波器果就相当于滤波器,把把湍流造成湍流造成的闪烁滤的闪烁滤除掉。除掉。uu用用matlabmatlab仿真得到误码率与校正模数的关系曲线仿真得到误码率与校正模数的关系曲线从图从图2 2中可以看出系统

29、中可以看出系统下行链路误码率与下行链路误码率与校正模数校正模数的关系的关系, ,随着校正模数随着校正模数增大增大, ,相应自由空间相应自由空间光通信光通信的误码率大大降低的误码率大大降低, ,当然补偿模数越多当然补偿模数越多, ,系统系统性能性能提高就越大提高就越大, ,说明自适应光学系统在说明自适应光学系统在自由空间光通信自由空间光通信上行链路的有上行链路的有效性效性。图图2 2上行链路误码率与校正模数上行链路误码率与校正模数图图2 2上行链路误码率与校正模数上行链路误码率与校正模数图图3 3表明了系统上行链路误码率与校正模数的关系表明了系统上行链路误码率与校正模数的关系, ,随着校正模数随

30、着校正模数增大增大, ,相应自由空间光通信的误码率大大降低相应自由空间光通信的误码率大大降低, ,当然补偿模数越多当然补偿模数越多, ,系系统性能提高就越大统性能提高就越大, ,说明自适应光学系统在自由空间光通信下行链路说明自适应光学系统在自由空间光通信下行链路的的有效性。有效性。同时从图同时从图2 2和图和图3 3可知补偿模数小于可知补偿模数小于5 5阶时阶时, ,曲线陡峭曲线陡峭, ,说明自适应光说明自适应光学系统用较少的补偿模数就能达到很好的补偿效果学系统用较少的补偿模数就能达到很好的补偿效果, ,也就是自适应光也就是自适应光学技术通常选择学技术通常选择低阶低阶的倾斜校正就能达到较好的校

31、正效果。的倾斜校正就能达到较好的校正效果。总结与展望总结与展望湍流问题作为世纪难题，它对数学、物理学、大气科学湍流问题作为世纪难题，它对数学、物理学、大气科学、工程工程技术、国防科技等领域的重要意义和应用价值，更是自不待言技术、国防科技等领域的重要意义和应用价值，更是自不待言。对于无线光通信领域，湍流效应引起的光强起伏、光斑抖动相位畸对于无线光通信领域，湍流效应引起的光强起伏、光斑抖动相位畸变等对通信性能的影响已经成为亟待解决的一个重要课题之一，为变等对通信性能的影响已经成为亟待解决的一个重要课题之一，为了抑制湍流效应的影响，提高通信性能，人们采取了多种方法，加了抑制湍流效应的影响，提高通信性

32、能，人们采取了多种方法，加大发射功率、增大接收孔径等已经满足不了现代无线通信的需求；大发射功率、增大接收孔径等已经满足不了现代无线通信的需求；然而，自适应光学技术、部分相干光传输技术以及分集接收技术的然而，自适应光学技术、部分相干光传输技术以及分集接收技术的兴起和发展为我们提供了方向，同时选择兴起和发展为我们提供了方向，同时选择合适的调制、编码、解调合适的调制、编码、解调方式也可有效地降低误码率。方式也可有效地降低误码率。赵松年赵松年, , 胡非胡非. .湍流湍流问题问题: :如何看待如何看待“均匀各向同性湍流均匀各向同性湍流”?J?J.中国科学中国科学: :物理学物理学 力学力学 天文天文学

33、学,2015,(,2015,(2).2).文献文献1 Wu X, Liu P, Matsumoto M. A Study on Atmospheric Turbulence Effects 1 Wu X, Liu P, Matsumoto M. A Study on Atmospheric Turbulence Effects in Full-Optical in Full-Optical Free-Free- Space Communication Space Communication SystemsJ. Wireless Communications Networking and Mob

34、ile Computing SystemsJ. Wireless Communications Networking and Mobile Computing ( (WiCOMWiCOM),2010 ),2010 6th International Conference6th International Conference，2010:1-5.2010:1-5.2 Kaur P, Jain V K, Kar S. Effect of atmospheric conditions and aperture averaging 2 Kaur P, Jain V K, Kar S. Effect o

35、f atmospheric conditions and aperture averaging on on capacity of free space optical linksJ. Optical & Quantum Electronics, 2013, capacity of free space optical linksJ. Optical & Quantum Electronics, 2013, 46(9):1139-1148.46(9):1139-1148.33 韩立强韩立强, , 王祁王祁, , 信太克信太克, , 李志全李志全. .基于自适应光学补偿的自由空间光通信系统性能研究基于自适应光学补偿的自由空间光通信系统性能研究J.J.应用光学应用光学，