湍流大气中激光脉冲瞬态传输特性研究

发布时间：2020-06-28 04:35

【摘要】：大气激光通信技术有着结构轻便,保密性强的特点。在国防科技领域有着很好的表现,也因其信息传输速率高和通信网络可升级的优势在通信行业内很受欢迎,受到了各国的重视,在二十一世纪以来有了长足的发展。虽然大气激光通信技术有着各种各样的优点,但是环境因素会对信道产生干扰,制约了其发展。大气激光通信受大气湍流效应的影响是不容忽视的,湍流效应往往能决定整个系统的性能是否适合通信,因此研究大气湍流特性对于了解大气信道环境、从而提升大气激光通信系统的性能是十分有意义的。湍流大气中脉冲的瞬态特性是指脉冲宽度达到皮秒或皮秒以上量级时,其在湍流大气中的时域特性。通过对大气湍流环境下光场的时间一阶和二阶强度矩表达式的分析,发现光强的起伏与时间之间有着很强的关联性,而光强又是研究大气激光通信中脉冲展宽和脉冲到达时间抖动现象的重要参数。那么,要掌握脉冲的实时变化情况,就必须要研究超短激光脉冲的瞬时展宽变化和到达时间的变化情况。这样就可以有针对性地改善大气激光通信系统的通信性能。通过研究发现巴特沃斯滤波器在级联后的频域响应与有高斯包络的激光脉冲通过水平大气信道后的频域响应类似,据此可以建立模型用来研究高斯脉冲的时域展宽,且在弱起伏到强起伏均适用。运用此模型仿真了不同初始脉宽、通信距离、波长和湍流强度下的脉冲展宽情况,得到了脉冲展宽与初始脉宽、波长和湍流强度等物理因素的关系。关于研究水平链路下脉冲到达时间的问题,文章中利用结合单位延时滤波器和分数滤波器的方法,建立了脉冲瞬时到达时间的模型,仿真得到了归一化频率和湍流强度与脉冲到达时间的关系,该模型经仿真验证,达到了飞秒级精度。在仿真后,本文建立了真实实验环境验证仿真结果。利用大气湍流池模拟真实大气湍流环境,对通过大气湍流池后的激光脉冲运用自相关仪和示波器处理。将得到的每个脉冲进行单独处理,得到了关于脉冲的展宽和到达时间数据,仿真结果与实验基本一致。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.1
【图文】：

示意图,脉冲宽度,示意图,傅里叶变换

图 3.1 脉冲宽度示意图表示方法，在距离发射端 L 处的窄带脉冲，可用下式来0( ) ( )exp( )o op t = v t i ω t( )op t 的复包络函数，表示波形。对(3-38)式做傅里叶变换( ) ( )exp( )i iP ω p t iω t dt∞ ∞= ( )0( )expiv t i ω ωt dt∞ ∞= 0( )i= V ω ω ( )iv t 的傅里叶变换，如下：2 20( ) exp( / )exp( )iV ω t T iω t dt∞ ∞= 2 21expπ T ωT =

超短激光脉冲,展宽比,脉宽,脉冲展宽

图 3.1 初始半脉宽与超短激光脉冲瞬时展宽比间的关系从图 3.1 可以看出，随着初始半脉宽的增加。在三种弱起伏强度环境下，脉冲展宽比的减小趋势是大体相同的，脉冲展宽比下降的速度很快，之后下降速度趋于平缓。这种下降趋势的原因，是因为随着初始脉宽的增加，脉冲展宽量占初始脉宽的百分比变得原来越小。在初始半脉宽为 20fs 至 40fs 时，闪烁因子为 0.2 的条件下，脉冲展宽比下降了 30%左右。闪烁因子为 0.5 时，脉冲展宽比下降了 50%左右。闪烁因子为 0.8时，脉冲展宽比下降了 80%左右。可见，更强的起伏强度在同等初始脉宽条件下，可以引起更大的脉冲展宽比，可是其下降得速度也更快。并且上图可以预见的是随着初始脉宽的增大，大气湍流所引起的脉冲展宽现象会进一步被抑制。3.4.2 通信距离对超短激光脉冲瞬时脉冲展宽特性的影响分析本节本文选用了波长为 1550nm 的激光作为通信光，对通信距离为 100km 至1000km 间隔 100km 共 10 种情况分别进行了仿真，初始半脉宽为 20fs、60fs 和 100fs。仿真结果如图 3.2 所示：

【参考文献】