涡旋光束在湍流中的传输特性

发布时间：2020-11-15 21:57

　　 由于涡旋光束可以在不增加光谱带宽的前提下显著地提升信道的信息容量,而且能够更好地缓解湍流对光束传输时的负面影响,所以近年来将携带轨道角动量(OAM)的涡旋光束应用于自由空间光通信(FSO)系统得到越来越多的关注与研究。本文主要研究了携带轨道角动量的Lommel光束在各向异性non-Kolmogorov大气湍流、各向异性海面大气湍流以及海洋湍流中的接收功率与串扰功率,并建立Lommel-Gaussian Shell光束模型,分析了复用光束的误码率与信道容量,主要的研究内容如下:1、为了阐明轨道角动量,将Lommel涡旋光束分解为柱坐标系中螺旋谐波叠加,并基于马尔科夫近似以及Rytov近似,推导得到Lommel在考虑内外尺度的各向异性non-Kolmogorov大气湍流、各向异性海面大气湍流以及海洋湍流中的接收功率与串扰功率模型。分析了湍流的各项参数(湍流强度、湍流内外尺度、湍流谱幂指数、各向异性系数等)和光束参数(不对称参数、轨道角动量数、波长等)对传输特性的影响。在大气湍流中将Lommel光束、多汉克贝塞尔光束的接收和串扰功率进行比较,发现Lommel光束的传输效果优于多汉克贝塞尔光束(MHB)。在海洋湍流中将Lommel光束与修正贝塞尔多高斯谢尔光束比较,发现Lommel光束的接收功率也是大于修正贝塞尔多高斯谢尔光束(MMBGS),且串扰功率小于修正贝塞尔多高斯谢尔光束。2、由于Lommel光束在湍流中传输时的效果优于LG、MHB及MMBGS,所以我们建立了Lommel-Gaussian Shell光束模型,讨论了Lommel-Gaussian光束及Lommel-Gaussian Shell光束在海面大气湍流中传输时的接收功率与串扰功率。通过研究发现湍流的各向异性系数越大,湍流的强度越大(湍流折射率结构常数越大),光束的接收功率越小,串扰越大。且光束的波长越短,以及源光束的空间不相干将增加海面大气湍流对Lommel-Gaussian Shell光束的影响。对于接收孔径来说,接收孔径越大,光束的接收功率越小,串扰越大。将Lommel-Gaussian光束、Lommel-Gaussian Shell光束这两个光束在海面大气湍流中的接收与串扰功率与Lommel光束进行比较,在相同的湍流条件下Lommel光束对于缓解湍流的负面效应是优于Lommel-Gaussian光束和Lommel-Gaussian Shell光束的。3、为了更好地观察轨道角动量复用的特点,我们利用MATLAB绘制了复用的Lommel光束的场强和相位分布图。当两路的轨道角动量同号时,即l_1·l_2＞0,复用光束的光强中心的亮斑个数为｜l_1-l _2｜,近场下的等相位线是由轨道角动量数较小的一路决定,远场情况下的等相位线的数量是由轨道角动量数较大的一路决定。但是当l_1·l_2＜0,光强图中心的亮斑数为｜l_1｜+｜l _2｜,相位也被等分为｜l_1｜+｜l _2｜份。接着研究了轨道角动量复用系统在大气湍流、海面大气湍流以及海洋湍流中传输的误码率和信道容量。研究表明当大气及海面大气湍流的强度越强,各向异性系数的值越大,误码率就越小,信道容量也更快地达到饱和值。当光束在海洋湍流中传输时,温差耗散率越小,动能耗散率越大,温度诱导和盐度诱导的比值越小,光束误码率就越低,信道容量也越大。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.1
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
    1.1 研究背景与研究意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 研究内容及章节安排
第二章 湍流理论及OAM光通信
    2.1 大气湍流理论知识
        2.1.1 大气湍流折射率结构常数
        2.1.2 大气湍流的内外尺度
        2.1.3 Kolmogorov功率谱
        2.1.4 Non-Kolmogorov功率谱
    2.2 海面大气湍流
        2.2.1 海面大气湍流折射率结构常数
        2.2.2 海面大气湍流谱模型
    2.3 海洋湍流
        2.3.1 海洋湍流的概念简介
        2.3.2 海洋湍流的各项参数
        2.3.3 海洋湍流的功率谱模型
    2.4 基于轨道角动量的光通信
        2.4.1 携带轨道角动量光束的基本概念
        2.4.2 涡旋光束的相位
        2.4.3 涡旋光束在光通信中的应用
    2.5 涡旋光束的基本类型
        2.5.1 修正贝塞尔多高斯谢尔模光束
        2.5.2 洛默尔光束
    2.6 本章总结
第三章 涡旋光束在大气、海面大气及海洋湍流中的传输特性
    3.1 Lommel光束在各向异性non-Kolomogrov湍流中的传输
        3.1.1 Lommel光束模的相对功率
        3.1.2 各向异性大气湍流对lommel光束传输性能的影响
    3.2 Lommel在各向异性海面大气湍流中的传输特性
        3.2.1 理论分析
        3.2.2 计算分析
    3.3 弱海洋湍流中Lommel及 MMBGS光束轨道角动量的传输特性
        3.3.1 海洋湍流中Lommel光束的理论分析
        3.3.2 海洋湍流中MMBGS光束的理论分析
        3.3.3 海洋湍流对MMBGS以及Lommel光束传输的影响
    3.4 本章总结
第四章 海面大气湍流中涡旋光束传输特性
    4.1 Lommel-Gaussian光束在各向异性海面大气湍流中传输特性
        4.1.1 Lommel-Gaussian光束
        4.1.2 洛默尔高斯光束在海面大气湍流中的螺旋谱
        4.1.3 Lommel-Gaussian光束对OAM传输的影响
    4.2 Lommel-Gaussian Shell光束在各向异性海面大气湍流中的传输特性
        4.2.1 Lommel-Gaussian Shell光束
        4.2.2 洛默尔高斯谢尔光束在海面大气湍流中的螺旋谱
        4.2.3 洛默尔高斯谢尔光束对OAM传输的影响
    4.3 本章总结
第五章 复用的涡旋光束通过大气、海面大气及海洋湍流的误码率与信道容量
    5.1 轨道角动量复用的基本概念
    5.2 湍流对光束复用误码率和信道容量的影响分析
        5.2.1 各向异性non-Kolmogorov大气湍流对误码率和信道容量的影响
        5.2.2 各向异性海面大气湍流对误码率和信道容量的影响
        5.2.3 海洋湍流对误码率和信道容量的影响
    5.3 本章总结
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
致谢
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本文编号：2885252