典型湍流环境中空间结构光场传输特性研究

发布时间：2020-05-08 17:12

【摘要】：随着信息技术的迅猛发展,信息交换方式不断增加,信息范围不断拓展,人们对信息传输量、信息安全性和保密性的需求不断提高,这导致了光信息的传输通道由空间受限的光纤介质向空间无限或半无限的大气和水体介质中延伸,光信息载体也在传统自由度(振幅、频率、偏振与相位等)中增加了轨道角动量这一新型自由度。轨道角动量在湍流环境中传播时受湍流扰动影响会产生模态串扰,增加通信系统的误码率,降低通信链路的性能。因此,在提高基于轨道角动量的光通信系统的链路性能方面,研究如何有效地减弱湍流对轨道角动量的干扰具有重要意义。论文根据Rytov理论和广义Huygens-Fresnel原理,研究了空间结构光场(高斯光束、高斯谢尔光束、电磁多高斯谢尔光束、径向偏振多高斯谢尔光束、贝塞尔高斯光束和径向偏振涡旋光束)在典型湍流环境中的传输特性,探索了在湍流环境中提升轨道角动量传播质量的方法。主要研究内容以及取得的研究成果包含以下几个方面:1.在弱水平non-Kolmogorov湍流大气中,根据Rytov理论推导了高斯光束孔径平滑光强闪烁表达式,分析了湍流参数和孔径平滑效应对高斯光束光强闪烁和大气激光通信系统平均误码率的影响,比较了海上和陆地大气湍流引起的光强闪烁效应差异。基于修正Rytov理论,将弱湍流光强闪烁模型推广至中等到强湍流起伏区域,建立了高斯谢尔光束在中等到强non-Kolmogorov湍流大气中光强闪烁模型。当忽略湍流内、外尺度影响时,光强闪烁模型能退回至早期文献结果。与此同时,高斯谢尔光束的光强闪烁模型还可以退化成高斯光束、平面波和球面波模型。2.在中等到强湍流起伏区域,大气湍流引起光信号的振幅起伏是受大尺度湍流和小尺度湍流共同调制的双随机过程,需要采用双独立分布函数模型来描述光信号的衰落规律。经典的伽马伽马分布假设大尺度湍流引起的振幅起伏满足伽马分布,但更多的学者认为其满足对数正态分布。然而,伽马分布不能很好地近似为对数正态分布,本文将对数正态分布近似为逆高斯分布,提出了新的逆高斯伽马分布。逆高斯伽马分布拓展了伽马伽马分布和对数正态分布在中等到强大气湍流信道中对光信号振幅起伏的有效模拟范围。3.根据相干偏振统一理论和广义Huygens-Fresnel原理,建立了电磁多高斯谢尔光束和径向偏振多高斯谢尔光束在水平non-Kolmogorov各向异性湍流大气中的传输模型。详细分析了各向异性大气湍流参数和波源参数对电磁多高斯谢尔光束和径向偏振多高斯谢尔光束在大气湍流中的光强演化、波束扩展与漂移效应的影响。讨论了在波束漂移方差计算过程中,大尺度滤波函数分别采用自由空间波束宽度和长期波束宽度的结果之间的差异。虽然采用部分相干光源和径向偏振光源都可以降低波束扩展与漂移效应,但径向偏振光源在湍流环境中的光强分布更加稳定。4.以湍流海水为例,基于Rytov理论及信息光学理论,建立了完全相干和部分相干的拉盖尔高斯光束在弱湍流信道中的轨道角动量传播模型,分析了海水湍流参数和波源参数对其轨道角动量的模态探测概率和螺旋谱分布的影响。结果表明,部分相干光源有利于减弱湍流对强度调制系统的影响,但会降低轨道角动量的传播质量。此外,比较了贝塞尔高斯光束与拉盖尔高斯光束在弱湍流海水中的轨道角动量传播特性,发现具有近似无衍射和自愈能力的贝塞尔高斯光束携带的信号轨道角动量模态在湍流海水中的探测概率更高。最后,以贝塞尔高斯光束为例,研究了基于轨道角动量的自由空间光通信系统在弱湍流海水信道中的平均信息容量的变化。5.在non-Kolmogorov各向异性湍流大气中,根据广义Huygens-Fresnel原理和Rytov理论分别建立了贝塞尔高斯光束传输模型和其轨道角动量传播模型,数值模拟了贝塞尔高斯光束的长期波束宽度、有效瑞利距离与波束漂移效应,讨论了各向异性大气湍流参数和源参数对部分相干贝塞尔高斯光束轨道角动量的模态探测概率和螺旋谱分布的影响。结果表明,贝塞尔高斯光束在弱湍流起伏区域,轨道角动量传播质量较高。随着传输距离增加,进入强湍流起伏区域,贝塞尔高斯光束携带的轨道角动量传播质量下降明显。可见,贝塞尔高斯光束更适合于短距离传输。针对不同传输距离的应用场景,合理地设置贝塞尔高斯光束轴锥角可以提高其在湍流中的传输性能。6.根据相干偏振统一理论和广义Huygens-Fresnel原理,推导了径向偏振涡旋光束在non-Kolmogorov各向异性湍流大气中的交叉谱密度矩阵和互相干函数。研究了各向异性大气湍流参数和源参数对径向偏振涡旋光束的强度演化、波束扩展与漂移的影响。重点比较了径向偏振和标量涡旋光束在大气湍流中传输效应的差异。结果表明,径向偏振涡旋光束不仅波束扩展与漂移弱于标量涡旋光束,而且强度分布受湍流影响退化为圆高斯型分布的速率更缓,轨道角动量的传播质量更好。
【图文】：

论文结构框架图

超过临界 Reynolds 数时，惯性力的影响大于粘滞力，流体的能量将持续转移给扰动运动，流体会出现了明显的湍流运动。图 2.1 给出了层流与湍流的示意图。图2.1 层流湍流转换示意图临界 Reynolds 数对于各种流体而言并不是一个普适常数，它不仅和流体几何结构，而且和其产生方式有关系。近地面层大气的特征长度约为 2 m，特征速度为 1 至5 m/s，动力学粘度系数约为 0.15 10-4m2/s，与其对应的临界 Reynolds 数达到了 105量级。因此，近地面大气往往处于高强度的湍流运动状态。对于海水而言，动力学粘度系数约为 10-6m2/s，其临界 Reynolds 数可达 108量级。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.1
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本文编号：2654941