倾斜大气光链路传输特性与光束优化研究

发布时间：2020-04-26 14:02

【摘要】：移动互联网、高分辨率图像传感器和云存储云计算等技术的快速发展,对网络节点间无线互连的速度和质量提出了更高的需求。作为微波技术的重要补充,自由空间光通信(FSOC)技术经过多年发展已经成为搭建视距超高速链路的重要选项,在骨干网中继、基站互连、高层建筑间通信、空地/星地/星间通信、战场通信和应急通信等领域具有重要应用,也将成为未来异构网络基础设施的关键组成部分。然而,大气信道中的湍流效应会使FSOC链路中作为载波的激光束发生波前畸变,引起接收端的光束漂移、横向弥散、光强起伏等现象,导致接收光信号质量发生严重劣化。因此,研究分析大气信道特性、优化光收发机设计以减弱湍流对光传输的影响,是提高FSOC系统可靠性的主要手段。经过多年发展,水平大气湍流信道的建模理论已经比较成熟,基于Kolmogorov类功率谱函数和扩展惠更斯-菲涅耳原理和扩展Rytov理论的水平链路闪烁指数模型成为链路性能预测的强大工具。在充分理解分析信道特性的基础上,通过高精度光电跟踪、光束参数优化、空间分集、自适应光学和新型部分相干光等技术的综合运用,近地面水平光链路的性能已经达到较高水平,有众多商用FSOC光终端投入使用。另一方面,倾斜大气路径的折射率结构常数是海拔高度的函数,这增加了使用解析方法计算闪烁指数的难度,特别是对于有限内外尺度和高斯光束传播的情况,因此相关研究的进展也比较缓慢。本文从信道建模和新型部分相干光源两个方向入手,研究讨论倾斜大气链路中光束传输的起伏特性和抑制措施。大气信道模型是链路性能评价与分析的基础,能够为光发射机的光束参量优化提供理论指导。针对现有倾斜链路闪烁指数模型只适用于弱起伏信道的问题,本文根据扩展Rytov理论推导大尺度效应和小尺度效应在湍流功率谱上截止频率的积分表达式,得到了适用于所有起伏条件的改进闪烁指数模型。改进后的模型在上行方向和下行方向具有统一的数学形式,不仅可以用于计算大天顶角链路的闪烁指数,还包含内外尺度和接收机孔径等参数,可以同时研究多种因素对光强起伏的影响。利用这一模型对倾斜链路的闪烁特性进行了大量分析,比较了内外尺度效应、光源尺寸、接收孔径平均、高空风速、光源空间相干性等系统和环境参数对上行链路和下行链路的不同影响。根据所得到的计算结果,结合湍流起伏能量守恒的假设,对工程领域关心的星地链路不对称性给出了定性解释,指出湍流层的分布特征与光束的衍射展宽是导致这一差异的主要原因。以高斯谢尔模(GSM)光束为代表的部分相干光(PCB)通过牺牲一定的方向性换取接收端闪烁指数的降低,在空间光通信中具有重要应用价值。然而高空飞行器与地面站之间的链路难以通过部分相干光改善接收质量,因此本文重点研究部分相干光在中低空链路中的应用,并提出通过均匀相关相位屏空间调制方法生成具有凸形相干度分布的径向部分相干光(CPCB)。实验结果表明,CPCB的最大特点是在传输过程中会发生一次至多次自聚焦,在增强接收孔径内光能密度的同时还能强化孔径平均效应,使闪烁指数进一步降低。利用波动光学仿真方法优化相干度调控参数后,CPCB在轴上接收孔径内的信噪比相比常规的GSM光束可提升1到2 dB,而对于存在收发机对准误差的轴外接收情况,CPCB更是能够提供多达5到6 dB的信噪比增益,而且这是在不增加硬件成本的情况下实现的。对于PCB相关应用重要的光探测器相对积分时间问题,本文也结合CPCB的湍流传输做了分析,得出的结论是,相对积分时间不足对CPCB的影响没有GSM明显,因此在空间调制器件开关速度不足的情况下,CPCB是更为优化的光源选择。本论文构建了倾斜大气星地/空地光束传输问题的完整物理图景,相关原创性研究内容是对现有湍流光通信理论和光场调控技术的补充和发展,兼具原理的可靠性和实现的可行性,对下一代空间光通信系统的设计和优化有借鉴价值和参考意义。
【图文】：

自由空间光通信,高速互连,实现网络,节点

1 绪论和意义世纪以来，以移动互联网为代表的信息技术和基于先感器技术不断产生突破，给人们的生活带来了巨大的领域的科技进步。与此同时，信息量的爆炸性增长对来的压力也日益增大，2017年全球IP流量已达1.5 ZB (在接下来的五年中增长两倍[1]。为了应对高速高质量数已逐渐完成电缆向光纤的升级，凭借相干光信号的巨提升。在需要无线互连的场合，微波通信长期以来占资源和性价比等因素已经让微波设备在一些特殊应用

光链路,墨子,卫星,高层楼宇

华中科技大学博士学位论文域具有重要价值。FSOC 的上述技术特点使其能够成为微波技术的有力即将在以下领域获得重要应用[3]：临时链路搭建。FSOC 光收发机的体积小重量轻，无需考虑布线因素求低，因此调试、部署、拆除都非常灵活。此外，作为物理层设备的议透明，可以在任意协议的网络节点之间实现无缝桥接。高层建筑互连。城市的高层建筑间常常需要宽带互连互通，架设微波，还会破坏大楼整体外观，而且可能引起健康方面的担忧，，而一条光代数条微波链路，还可以部署在玻璃幕墙内部，对非视线的遮挡也不敏
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.1

【参考文献】