基于光源相干度优化的无线光通信大气湍流影响抑制研究

大气湍流导致激光闪烁，造成无线光通信性能变坏。部分相干光大气湍流闪烁比完全相干光小。当光源空间相干长度小于光束直径时，光束可等效为多个独立模传输，能产生类似于分集的效果；当光源相关时间长度小于探测器响应时间长度时，探测器时间平均过程能平滑信号起伏噪声。首先研究PPCB瞬态相干度调制理论及实现途径，以产生具有瞬态部分相干特性的PPCB；然后研究非均匀光谱幅度调制理论及实现途径，将若干Kbits数据同时调制到宽谱激光脉冲的不同谱线上，减小单条谱线信道的码率，降低时间平滑降噪对PPCB相干度调制带宽的要求。研究PPCB相干度优化模型，平衡减小光强闪烁与保证平均接收光功率之间的矛盾，优化实际链路性能。开展野外大气湍流影响抑制实验，分析实际部分相干光的大气湍流传输特性，以及链路参数对部分相干光通信性能的影响。本项目提出一种新的大气湍流影响抑制途径，可显著扩展Gbps数据速率无线光通信链路的通信距离。

本项目研究通过优化控制光束初始相干度来抑制无线光通信大气湍流影响的方法。完成了：(1)部分相干光束大气湍流传输的二阶相干特性、漂移时间谱、光功率时间衰落统计量等研究；(2)通信光束自适应最优相干度调制理论及实现途径研究；(3)非均匀光谱幅度编/解码理论及实现方法研究；(4)激光脉冲通用幂律谱大气湍流传输的时间展宽和时间依赖闪烁特性研究；(5)相干和非相干合成Airy阵列光束大气湍流传输特性研究；(6)接收机光纤耦合效率以及链路性能分析与优化研究。研究发现：(1)在对通信光束初始相干度进行最优化控制时，归一化接收光强起伏概率密度函数的峰值光强是比归一化接收光强起伏方差更好的优化指标；光束初始相干度优化控制的准则是，使归一化接收光强起伏概率密度函数的峰值光强最大化；(2)在优化控制光束初始相干度的同时，结合光谱幅度编/解码方法能实现无需信道状态估计的最优阈值判决，可进一步提高大气无线光通信链路性能；(3)使用宽谱光源，结合光谱幅度编/解码方法，可实现多路并行传输，从而在保证相同总体通信速率的同时，使单路传输速率降低，进而利用探测器时间平滑进一步抑制大气湍流影响；(4)就大气无线光通信链路的总体性能而言，非均匀光谱幅度编码比均匀光谱幅度编码更优；(5)当遮拦比和孔径-相干长度比不同时，接收机光纤耦合效率随耦合几何参数的变化曲线并不相同，但所有条件下光纤耦合效率都有一个最大值，其对应了耦合光学系统的最佳耦合几何参数；(6)通过非相干地合成多个Airy子光束产生Airy阵列光束，可在利用光束部分相干性的同时，在特定距离处的接收面上形成光功率会聚区，以增加平均接收光功率，此方法提供了另一种利用光源部分相干性的可能途径；(7)在强湍流条件下，可以用球面波脉冲的时间展宽表达式来近似求解高斯光束脉冲的时间展宽量；(8)通信激光脉冲闪烁指数最小值出现在脉冲平均到达时刻之前，当大气湍流谱指数减小时，通信激光脉冲闪烁的时间依赖性减弱；(9)降低光束初始相干度导致更低的接收光功率衰落时间比和更短的接收光功率平均衰落周期；当大气湍流变强时，降低光束初始相干度对减小接收光功率衰落时间比和接收光功率平均衰落周期的作用逐渐减小。在国内外刊物上发表学术论文12篇，其中SCI收录期刊论文8篇，EI收录期刊论文10篇，EI收录国际学术会议论文2篇；申请国家发明专利6项；获软件著作权1项；培养博士生2名。

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