大气激光通信系统的研究教材
激光在大气中的传输特性研究及仿真
激光在大气中的传输特性研究及仿真吕宏飞,田爱玲,韩峰、王红军、刘丙才(西安工业大学光电工程学院,西安710032)摘要:激光在大气中传输受到各种因素的影响。
本文以脉冲激光测距设计的实际需要为出发点,从大气的组成入手,对激光在大气中传输的理论特性进行研究,并建立激光大气传输系统的传递函数模型。
而激光在大气中的衰减主要受到大气分子的吸收、大气中微粒的散射和大气的折射影响。
针对以上几个因素的影响,本文在选择波长的基础上,用MATBLE对激光经过大气散射后的透射率进行仿真,并对仿真结果和实际测量结果进行分析。
通过数据计算和MATBLE 的仿真可以证明,在传输距离相同的条件下,波长越长,分子的散射越弱;波长越短,其散射越明显。
关键词:激光测距,大气传输,吸收,散射中图分类号:TN241文献标志码:AStudy and Simulation of the Transmission characteristics of laser propagation in the atmosphere(Lv Hongfei Tian Ailing HanFeng Wang Hongjun Liu Bingcai)(Xi’an Technological University)Abstract: Laser propagation in atmosphere under the influence of various factors. The pulse laser rangefinder design practical needs as the starting point, from the start with the composition of the atmosphere, the theory of laser propagation in the atmosphere were studied, and the establishment of atmospheric laser communication system transfer function model.While the laser beam in the atmosphere attenuation by atmospheric molecular charge, atmospheric particulate backscattering and atmospheric refraction effects. In view of the above the influence of several factors, the selection based on wavelength, MATBLE on laser atmospheric scattering transmissivity are simulated, and the simulation results and actual measurement result analysis.Through the data calculation and MATBLE simulation can be proved, the transmission distance under the same conditions, the longer wavelengths, molecular scattering is weak; the shorter wavelength, scattering more obvious.Key Words:Laser ranging; Atmospheric transmission; Absorption; Scattering引言鉴于探测信号和不同波长的激光等在大气中传输,因多种因素引起的能量衰减,影响了脉冲激光测距的性能。
大气激光通信DAPPM调制_解调系统仿真研析
西安理工大学硕士学位论文
本文首先对DAPPM的调制原理进行了阐述,分析了其信道容量,带宽,功率谱密度,传输效率等,并与其它几种调制方式进行了比较分析,仿真结果表明,DAPPM调制方式具有更好的带宽效率,更适合无线激光通信系统。其次,噪声是通信系统不可避免的,本文对大气信道和接收机的噪声进行了分析。其中,大气湍流被认为是影响激光通信系统信号传输最大的因素,由背景光产生的散弹噪声和光电探测器内部产生的暗电流噪声,内阻热噪声等都对激光通信系统产生一定影响。再次,误码率是衡量一个通信系统通信质量的重要因素,本文重点分析了大气湍流对通信系统误码率的影响,并建立了弱湍流情况下系统的信道模型,推导了DAPPM调制方式的误码率。通过与其它几种调制方式进行比较,得出:在相同的位分辨率条件下,DAPPM的误包率虽然高于DPIM和PPM,但明显优于DAPIM和OOK。最后,在MATLAB环境下,运用Simulink对调制解调系统进行了建模仿真,仿真结果验证了该算法的正确性,除有一定的延迟外,文虽然对大气激光通信中DAPPM调制方式的性能及特性做了一些研究,但还有很多不足之处,如:
1.本文只是在MATLAB环境下,对DAPPM调制解调系统进行了仿真,并未对其硬件进行研究,为了将调制解调真正投入到大气激光通信中使用,还需经过不断努力,对其硬件做进一步研究。
2.目前国内外在这方面的研究还不是很多,本文也只是对其进行的初步研究,其中会有很多不足之处,以后还需进一步深入研究。
西安理工大学硕士学位论文30
总结和展望
6.总结和展望
6.1总结
大气激光通信也称自由空间光通信,它是利用激光束作为载体在大气中进行语音、图像、数据等信息双向传输的一种技术。具有抗干扰能力强、保密性好、使用便捷、布设展开迅速等特点,在解决“最后一公里”问题,应急通信等方面有着良好的应用前景。
基于阵列接收机的大气激光通信系统性能研究
关键词 : 大 气光 通信 ; 阵列 接 收机 ; 孔径 平均 效应 ; 误码率; 信噪比
t h e p e f r o r ma n c e o f l f e e s p a c e o p t i c a l ( F S O) c o m m u n i c a t i o n s y s t e m, a c o u p l e d m a t h e m a t i c a l m o d e l i s b u i l t t o d e p i c t t h e
c o mmun i c a t i o n s y s t e m i s a l s o s i mul a t e d .Th e r e s u l t s s h o w t h a t i n me di u m a n d s t r o n g t ur b u l e n c e i f e l d, t h e i n lu f e n c e o f BER a nd a p e tu r r e a v e r a g i ng f a c t o r i s v e r y o b v i o us t ha n t h a t i n we a k t ur bu l en c e ie f l d, a n d t h e l a r g e r di a me t e r c a n e f - f e e t i v e l y r e d uc e t he i n t e ns i t y l f uc t ua t i o n s . I n a dd i t i o n, u nd e r a c e r t a i n i nt e n s i t y o f t u r b ul e n c e t he l a r g e r n un l be r s o f r e— c e i v e r s i s . t h e b e t t e r t h e e f f e c t i v e SNR a n d BER o f FS O s y s t e m i s, whi c h i s g ui d e s i g n i ic f a n c e f 0 r i mp r o v i n g t h e q ua l i t y
大气激光通信中光强闪烁及其抑制技术的研究
利用光学元件将光束分散成多个子光束,再对子光束进行独立检测 和处理,最后合并成原始信号,以减小光强闪烁的干扰。
自适应光学技术
通过实时检测波前畸变并对其进行校正,以提高光束质量和减小光 强闪烁。
新型抑制技术的提
基于深度学习的光强闪烁抑制技术
利用深度学习算法对大量光强闪烁数据进行训练和学习,建立光强闪烁的预测模型,并 根据预测结果对光强闪烁进行抑制。
选择适当波长的激光器,搭建稳 定可靠的发射与接收系统,确保 光信号的准确传输。
大气信道模拟
通过模拟不同的大气湍流条件, 如风速、温度、湿度等,以研究 光强闪烁现象。
参数设置与优化
根据实验需求,设置合适的激光 功率、传输距离、接收孔径等参 数,并进行优化以获得最佳的实 验效果。
数据采集与处理方法
01
加强实际应用中的验证和测试:将研究成果应用 于实际的大气激光通信系统中,进行长期的验证 和测试,以评估技术的实用性和可靠性,并不断 优化和改进系统性能。
探索更加有效的抑制技术和方法:在现有抑制技 术的基础上,进一步探索更加有效的技术和方法 ,如新型光学天线设计、智能控制算法等,以进 一步提高大气激光通信系统的性能。
光子计数技术
采用单光子探测器对光信号进行探测和计数,从而有效避免光强闪烁对通信性能的影响 。
偏振复用技术
利用不同偏振态的光束在传输过程中具有不同的闪烁特性,通过偏振复用将多个独立的 光束合并成一个复合光束进行传输,以降低光强闪烁的干扰。
抑制技术的性能比较与优化
性能比较
对现有抑制技术和新型抑制技术进行实验验证和性能比较,包括抑制效果、系统复杂度、成本等方面 。
光强闪烁是由大气湍流引起的,会导致激光束在传输过程中强度随机变化。
大气激光信道模型ppt课件
喇曼散射
• 米耶散射 又称微粒散射 散射粒子线度与波长 同量级
瑞利散射
• 波长四次方反比 • 强度随方向改变 • 散射光偏振度与观察方向有关
I
(2 )2 4R2
(n 1)2
Байду номын сангаас
V N1
I0 (1 cos2 )
米耶散射
• 针对球形质点粒子 • 存在吸收 • 散射光强度随粒子尺度改变 • 散射光偏振性随粒子尺度改变 • 近似处理气溶胶粒子散射
c2
1.92Cn2z3(2a0 )1/3
• 光束漂移是一种0.1~10Hz的低频率抖动
光束漂移
• 束心位移概率密度
P(c )
c
2
e
c2 2
s2l
2
I0
c sl
2
• 漂移引起的光强起伏概率密度
(P)
a2
2
P0 P
a2
2
Pe
s2l
2
2
I0
a2
2
P0
ln
P0 P
到达角起伏
• 由于氮、氧、臭氧分子的吸收作用,λ<0.3μm紫 外光和λ>20μm 红外光被大气吸收
• 激光在大气中传输时,吸收带中透射率较高的波段, 形成大气窗口
• 可见光、1μm 、3~5μm 、8~12μm 是常用的大气窗 口
大气散射模型
弹性散射
• 瑞利散射 又称分子散射 散射粒子线度在1/10 波长以下
2
4.787/8 (sec )11/6
hA hT
Cn2
(h)h5
/
6dh
• Rytov 近似下
2
ACn2k07/6 z11/6
新型大气激光通信系统的设计与研究
东南大学硕士学位论文新型大气激光通信系统的设计与研究姓名:宋成杰申请学位级别:硕士专业:光学工程指导教师:崔一平20040406东南大学硕士学位论文第二章大气激光通信原理及系统构成2.1大气激光通信原理2.1.1工作原理概述无线激光通信是光通信的一种,图2.1是光通信的典型框图。
图中所包含的各个标准通信模块在任何光通信系统中都是适用的。
由源所产生的某种形式的信息将被传送到远端的目的地。
这个源的输出被调制到一个光载波上,光载波以光波或光束的形式通过光通道进行传输。
在接收端,光场被收集和检测,并进行相关处理,从而得到源所发出的信息。
围2.1光通信系统框图光发送机与调制器是用来将信号源的信息调制到光载波上,然后将要传输的光场聚集成光束,以电磁场的形式发送到传输介质中进行传播。
把信号源的信息调制到光载波上可以采用不同的方式,如幅度调制(AM)、频率调制(FM)等,还可以极化调制,即对光场的空间特性进行调制。
光发送机与调制器部分主要包含调制光源模块和光学发射模块。
光接收机是用于收集入射的光场,并处理和恢复传输的信号。
一个典型的光接收机包括三个基本的模块:光学接收模块、光检测器和信息处理器。
光学接收系统把接收的光场进行滤波和聚焦,使其入射到光检测器上,光检测器把光信号转变为电信号,最后信息处理器完成必要的信号放大、信号过滤及处理,最后从探测器的输出中恢复所需要的信息。
图212无线激光通信示意圉无线激光通信系统作为光通信的一种,也可以用图2.1来描述,其中的光学信道就是自由空间或大气层。
图2.2为无线激光通信的工作原理示意图,这是一个典型的点对点无线激光通信系统。
经信号调制过的激光被发射天线(透镜或抛物面反射镜)聚集成一束发散角很8第二章大气激光通信原理及系统构成图中存在几个相对“透明”的“窗口”,在这些窗口中光场透射率比较高,通常称大气窗口,比较重要窗口分别是O.85p.m附近、1.55pm附近、3.4~4.1p.m和8~13pan。
面向激光通信的大气随机信道分析与研究
iswi e b n wi t t d a d d h,s l s ae a d h g e r c .I a mp ra tme n n nd p o sn r s e t mal c l n ih s c e y th s i o tn a i g a r mii g p o p c .Ch r c e sis a a tr tc i o p c t s h rc rnd m h n e a e i l t d e fs a e amo p e a o c a n lh sbe n man y su id,e p cal h fe to h a d m ha n lt a e i s e ily t e e fc ft e r n o ct ha n lwa u l ,a d t e f c l i lto s d n y c mp tr h a u a r o d lo he c n e sb it n h a u a smu ain wa o e b o u e ,t e f c l e we e c mpa e t r d wih t e p t .W e a ay e t a t r ha k h a e a v ro rt e ls rt o g t s h r .W ih t i y - h hoo n l z hef co st tma e t e l s rbe m a iusf h a e hru h amo p e e o t h ss s
Ke r s:wiee so tc c mmu ia in;amo p r a d m h n e ;r a me s o n y wo d r l s p i o nc t o t s he e r n o c a n l e hi h wi g;ls r b a a e e m
大气激光通信原理
大气激光通信原理
大气激光通信(Free Space Optical Communication,FSO)是一种利用激光光束在大气中传输信息的通信技术。
其原理如下:
1.激光发射器:通信系统中的发射端使用激光发射器产生一束高
功率、窄束宽的激光光束。
常用的激光器包括半导体激光器和
固体激光器。
2.光束传输:激光光束通过大气传输。
由于大气中存在各种大气
湍流和光散射现象,会对激光光束造成衰减和扩散,从而影响
传输质量。
3.接收器接收:接收端使用光学接收器接收传输过来的激光光束。
接收器通常包括一个光学透镜和光电探测器。
4.探测和解调:光电探测器将接收到的光信号转换成电信号。
随
后,对电信号进行探测和解调,以恢复出原始的信息。
需要注意的是,大气激光通信受到大气湍流、大气吸收和大气散射等因素的影响,可能会导致传输质量的下降。
因此,为了提高大气激光通信的可靠性和性能,通常会采取以下措施:
•自适应光学系统:利用自适应光学技术对激光光束进行实时调整,以适应大气湍流和传输条件的变化。
•前向纠错编码:采用前向纠错编码技术,使数据能够在传输过程中进行纠错,以增强传输的可靠性。
•光束整形:通过光学系统对激光光束进行整形,使其更加集中和稳定,减少大气散射的影响。
大气激光通信具有高带宽、免许可、抗干扰等优点,适用于需要高速、远距离、抗干扰的通信场景,例如军事通信、卫星通信、无线回传等领域。
然而,由于大气的不稳定性,大气激光通信在实际应用中仍面临一些挑战,需要通过技术手段进行优化和改进。
大气激光通信123
m
a
大气湍流信道
湍流结构常数C n
2
描述大气光学湍流强度
白天,太阳辐射增温,地温高于气温,大气处于不稳定
层结,热量向上传递,动力湍流能量加强,C 2 较强 n
夜间,地面冷却,气温高于地温,大气处于稳定层结状
态,湍流能量较弱,C 2 也较小 n
转换时刻(日出后1小时和日落前1小时)地面温度
和大气温度大约相等,此时湍流最弱
总结
大气激光通信系统使用大气作为传输信道,其性 能和大气的传输性能密切相关,因此我们着重分析 了大气通道对激光束的衰减作用以及大气湍流对激 光束传播的影响,并简要介绍了大气通信的关键器 件,大气激光通信的调制技术,以及大气激光通信 系统的构成与应用。 本课题重点 大气对激光束传播的影响 大气信道的特点 本课题难点 大气衰减,激光束传输损耗,激光束的 准直与扩束原理
红宝石激光器,氦~氖激光器, CO2激光器(10.6um,大气信道传输的低损耗窗口) 和Nd :YAG激光器
低谷:(20世纪70~80年代)
①
② ③
受气候条件影响大 大气湍流 光纤通信的发展(但在军事反面存在巨大潜在应用)
复苏:(20世纪90年代~至今)
1988年,巴西,便携式半导体激光大气通信系统.(双筒望远镜)。(1km) 1989年,美国,短距离、隐藏式大气激光通信系统。 1990年,美国,紫外光波通信系统。(2~5km)
快速业务开通
其他特殊场合 军事应用
八、大气激光通信面临的问题
(大气信道本身的特点)
对大气信道衰减大以及衰减随机变化量大的
补偿技术问题
大气湍流的影响,使信道折射率发生不均匀
的随机变化,使接收斑产生所谓的闪烁现象 和飘移现象
激光大气通信实验
GCS-DQTX 激光大气通信实验简介:利用光在空气中直线传播的特点,进行大气传输光通信,不需要任何线路,简单、经济。
早在1880年,贝尔和他的助手坦特就首次进行了光通信的实验。
贝尔和坦特利用一面薄柔性镜面反射阳光,用声波直接进行调幅,在313m的距离内成功地进行了话音信息的传输,接收机包括一个抛物面发射器和硒光电池阵列。
贝尔所进行的光电话实验,比他所处的时代几乎超前了一个世纪。
用途:该技术采用半导体激光器为光源,所构成的通信系统为无线数字通信系统,主要用于固定点使用,也可用作应急抢通,其潜在的应用领域是在数据网、电话网、微蜂网及微微蜂窝网的入网应急设备及不便敷设电缆及光缆的近距离场合。
大气激光通信设备具有无电磁干扰、组网机动灵活、安装维护方便、通信可靠性高、保密性好、性能价格比优等优点,可传输多种速率的数据、话音、图像,具有广阔的应用前景。
随着技术的不断完善和新器件的不断出现,大气激光通信技术已成为当今信息技术的一大热门技术,其作用和地位已能和光纤通信、微波通信相提并论,是构筑未来世界范围通信网必不可少的一种技术。
基本原理:激光大气通信原理大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的通信系统,它们相互向对方发射被调制的激光脉冲信号(声音或数据),接收并解调来自对方的激光脉冲信号,实现双工通信。
本系统可传递语音以及进行计算机间数据通信。
受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光,这样载有语音信号的激光通过光学天线发射出去。
接收是另一端的激光通信机通过光学天线将收集到的光信号聚到光电探测器上,将这一光信号转换成电信号,再将这一光信号放大,用阈值探测方法检出有用信号,再经过解调电路滤去基频分量和高频分量,还原出语音信号,最后通过功放经耳机接收,完成语音通信。
实验目的:(1)了解激光大气通信的原理(2)通过动手,实现简单的激光大气通信实验。
知识点:激光大气通信系统、激光器、调制器和调制方式、光接收系统、大气传输技术。
大气激光通信系统设计
通信原理设计论文西北工业大学通信原理设计论文题目:大气激光通信系统设计课程: 通信原理课程老师: 赵瑞琴学院: 航海学院班级: 03040902学生(学号): 张国宾(2009300848)日期: 2012 年 6 月29通信原理设计论文摘要通过学习通信原理这门课程,对一般通信系统的基本模型有了进一步的了解,在此模型的基础之上设计大气激光通信系统。
大气激光通信是以激光作为信息的载体,以自由大气空间作为信息传输的信道。
大气激光通信作为一种非常好的无线通信手段,自激光出现以来,众多学者对它做了理论上和实验上的研究。
在大气激光通信系统中,由于在传输过程中受到大气散射、折射、湍流等很多因素的影响。
会造成激光光能量衰减,光强闪烁,光束随机偏转,能否克服这些影响是大气激光通信推广应用的关键。
近年来,大气激光通信技术取得了辉煌的成就,但它受大气环境因素的影响非常严重,因此对大气激光通信信道的研究就显得格外重要。
论文首先系统叙述分析了一般通信系统的基本模型以及通信系统的主要性能指标,在此基础上分析大气激光通信系统的设计原理,大气衰减及大气湍流效应大气激光通信系统的影响,重点分析了大气激光通信系统所面临的问题和解决的关键技术,并在此基础上结合通信理论给出信道模型。
然后针对信道模型提出相关的技术方案,如自适应光学系统技术。
关键词:激光通信;大气信道;误码率;湍流效应;信道;通信原理设计论文目录第一章绪论1.1 引言1.2 未来要研究的课题1.3大气激光通信系统的设计要求1.4 大气激光通信系统的设计指标第二章一般通信系统的基本模型及主要性能指标2.1背景介绍2.2一般通信系统的基本模型2.3通信系统的分类2.4模拟通信与数字通信系统模型2.5数字通信系统的主要性能指标第三章大气激光通信系统的设计3.1光源3.2激光传输3.3光发射机关键技术3.4光接收机关键技术3.5光学天线技术通信原理设计论文第四章激光信号大气衰减4.1大气散射4.2大气湍流第五章大气激光传输信道模型5.1接收机本机噪声分析5.2背景辐射5.3大气衰减信道5.4大气湍流信道模型第六章自适应光学系统6.1光学系统及系统结构6.2波前校正器6.3波前传感嚣6.4高速倾斜镜6.5自适应光学系统在大气激光通信中的应用结论参考文献通信原理设计论文第一章绪论§1.1、引言大气激光通信又称自由空问光通信,是以激光作为信息的载体,通过天气进行数据、声音、图像传输的通信技术,是激光出现后最先研制的一种通信方式。
Laser beam propagation through random media-chapter4
Free-Space Propagation of Gaussian-Beam Waves
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Paraxial Wave Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Paraxial approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Optical Wave Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Plane wave and spherical wave models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Lowest-order Gaussian-beam wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Paraxial equation: direct solution method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4 Paraxial equation: Huygens-Fresnel integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Diffractive Properties of Gaussian-Beam Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Input plane beam parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Output plane beam parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Geometrical Interpretations—Part I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1 Beam waist and geometric focus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2 Rayleigh range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Geometrical Interpretations—Part II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.1 Beam waist and geometric focus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Higher-Order Gaussian-Beam Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1 Hermite-Gaussian beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.2 Paraxial equation: direct solution method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.3 Paraxial equation: Huygens-Fresnel integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.4 Laguerre-Gaussian beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8 ABCD Ray-Matrix Representations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.1 Paraxial approximation for ABCD optical systems . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.2 Generalized Huygens-Fresnel integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9 Single Element Optical System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9.1 Gaussian lens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9.2 Image plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9.3 Gaussian mirror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10 Summary and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.11 Worked Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
大气激光通讯仿真
题目:基于optisystem的大气激光通信系统仿真研究摘要本文在介绍大气激光通信系统基本原理和组成的基础上,对optisystem子系统结构进行了理论设计,并对APT技术算法进行了深入研究。
通过对通信系统工作波长选择、光学天线选择等阐述,选择了1550 t'/m作为系统工作波长、卡塞格伦(Cassegrain)收发合一天线作为系统光学天线;通过对optisystem子系统功率测算、束散角和瞄准误差、误差提取信号等的讨论,给出了optisystem子系统结构和理论设计指标,并将其与现有的大气激光通信系统进行比较。
说明该设计方案是可行的。
由于在拟用环境中对系统机动性要求较高,因此本文着重对optisystem技术中的超前校正进行了分析。
为了能够较好的给出运动终端的超前正值,必须了解终端的运动特性,本文对海上舰船运动进行了数值仿真,给出了二级海浪下18kn速度航行的运动时间历程.并在此基础上讨论了滑动窗多项式拟合预测算法(SPFM),对该算法与普通的多项式外推预测进行了比较,对模型进行了适应性修正,并对算法的参数:系统采榉频率、滑动窗大小、拟合多项式指数进行了优化。
最后通过计算机仿真说明在预测海上舰船运动时要求采样频率大于4 Hz,滑动窗大小取10"-20,多项式为3或4阶时计算量和误差较小,预测效果较好。
当舰船速度从0到30kn节之间变化时,发现预测误差有所增大,当到一定速度之后其预测误差保持不变。
关键词光无线通信,APT,最/J、--乘法,运动仿真注:拥是舰船运动速度单位,lkn=1海里,小时=I.85公里,小时。
AbstractBased on the basiceofies and composition of optical wireless commu。
nication system,the structure design of its APT(Acquisition,Pointing,Tracking)sub—system and further research on APT technical algorithm have been discussed theoretically in this thesis.1550rim is chosen as the work wavelength,Cassegrain transmitting-receiving antenna as the optical antenna ofthe system through the elucidation ofhow to choose the work wavelength and optical antenna ofcommunication system.The structure and theoretical design parameter ofAPT subsystem have been presented through the discussion ofthe optical signal power estimation of APT sub-system,beam divergence angle,pointing error,and error signal extraction.Compared with existed optical wireless communication system,the design scheme proves applicable.Because of high requirement of maneuverability for the system,the beforehand emendation in APT technology has been analyzed with great exertion in the last part of the thesis.To obtain beRer value of beforehand emendation for maneuvering terminals,the movement chamcteristics of terminal must be understood well.Firstly,the motion time course for speed of 1 8kn under the condition of second level ocean wave was given through the numerical simulation of naval ships.Secondly,SPFM(Sliding Polynomial Fitting Method) was discussed and the arithmetic has been compared with PFM(Polynomial Fiuing Method).Meanwhile,the model WaS corrected,and the parameters of arithmetic·-system sampling frequency,the length of sliding window and theexponent of fitting polynomial—·have been optimized.Finally,the small computing load and error,and the beRer estimation effect can be obtained when sampling frequency is more than 4Hz and sliding window is between 10 and 20 and polynomial exponent equals 3 or 4 by the computer-basedsimulation.When the speed of naval ships varies from 0 to 30kn,the estimated error is found increased.While the naval ships reach a certain speed,the estimated error will keep constant.Keywords:Optical wireless communication,APT,Least squares Method,Motion Simulation独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
大气激光通信中光强闪烁及其抑制技术的研究
PART 04
抑制光强闪烁技 术的效果和性能
评估
抑制效果的评估指标
光强闪烁抑制率:衡量抑制技术对光强闪烁的抑制程度 误码率:评估抑制技术对通信质量的影响 传输距离:评估抑环境条件下的性能
性能评估实验和结果
实验目的:评估抑制光强闪烁技术的效果和性能 实验方法:采用模拟大气环境,测量光强闪烁的抑制效果 实验结果:抑制光强闪烁技术能有效降低光强闪烁,提高通信质量 结论:抑制光强闪烁技术在大气激光通信中具有重要应用价值
大气激光通信中 光强闪烁及其抑 制技术的研究
汇报人:
目 录
01 添 加 目 录 项 标 题
03
抑制光强闪烁的 方法
05
未来研究方向和 展望
02
大气激光通信中 光强闪烁现象
04
抑制光强闪烁技术 的效果和性能评估
PART 01 添加章节标题
PART 02
大气激光通信中 光强闪烁现象
光强闪烁的定义和表现
不同抑制方法的比较和选择
光强闪烁抑制技术的原理和分类 不同抑制方法的效果比较 不同抑制方法的性能评估 选择合适的抑制方法,提高光强闪烁抑制效果
实际应用中的问题和挑战
光强闪烁的抑制效果:需要评估各种抑制技术的效果,以确定最佳方案 性能评估:需要评估各种抑制技术的性能,包括稳定性、可靠性、成本等 实际应用中的问题:需要解决实际应用中遇到的问题,如环境因素、设备故障等 挑战:需要面对各种挑战,如技术难题、市场竞争等
编码方法
直接编码:通过改 变激光器的工作状 态,实现光强的直 接调制
间接编码:通过改 变激光器的工作状 态,实现光强的间 接调制
混合编码:结合直 接编码和间接编码 ,实现光强的混合 调制
自适应编码:根据光 强的变化情况,自动 调整编码方式,实现 光强的自适应调制
大气湍流中的激光传输课件
主要起因于大尺度涡旋折射率的作用。 如果在接受平面上,取一个足够 短的观察时间,我们可以看到一个直径为 ρs的被加宽的光斑被折射而偏离 了一个距离 ρc。
接受平面上则会观察到一个均方直径为ρL2=ρs2+ρc2的大光斑。称ρs为短期平均 光斑半径,ρL为长期光斑半径,ρc为平均束漂移量。
真空传输2km后的光强分布
◆ 四束原本分开的激光光束 经过一段传输后,其光场会叠 加在一起,使光束间有相互补 偿的可能性,从而降低湍流造 成的影响。
多光束传输的数值模拟
▲ 四光束与单光束光强起伏方差的比较
从图中可看出采用四束激光传输后的光强起伏比单束光又明显减小。
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谢谢大家!
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即n束互不相关的光叠加后所形成的对数光强起伏方差与单束 光的对数光强起伏方差相比方差减小了 n倍。
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多光束传输对光强起伏和光 束漂移的改善
对于利用多光束客服光束漂移方面,采用多光束之后,即使有部分光超出了接收 探测器的范围,由于光束之间互不相关,其余的光束也有可能进入探测器范围内, 进而减少光束漂移带来的负面影响。如果 n束参数相同的光经过湍流之后传输到目 标面上, n束光所形成的光斑的重心为各束光各自光斑重心的叠加:
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若各束光的漂移互不相关,并且之后的光束漂移方差:
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即n束漂移互不相关的光叠加后所形成的光斑重心漂移与单束光的光斑重心漂移相 比,方差减小了 n倍。
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多光束传输的数值模拟
发射处的光强分布 经过Cn2=2x10-17m-2/3真空传输2km后的光强分布 .
第8、9章 空间激光通信
20
25
30
35
40
光学天线
作用
在发送端,对激光束实现扩束,压缩光束发散角,减少光束 发散损耗,降低对光源的光发射功率要求 在接收端,增大接收面积,大大提高了所接收到的信号光功 率,压缩接收视野,减少背景光干扰
物镜 目镜 准直输出
大气光通信常用折射式光学天线
8.4 调制方式
调制方式
脉冲位置调制(PPM)
大气散射
造成光能量衰减的主要原因是悬浮粒子的散射,一般说来,对于半径r≤0.3m 的粒子(如气体分子),波长在1m附近,瑞利定律的误差≤1%,当粒子半 径r>0.3m时(如悬浮尘埃等),须采用米氏定律。当粒子半径比辐射波长至 少大40m时(如雾滴、雨滴等)才出现非选择性散射
大气散射造成光衰减,是大气窗口上主要的损耗来源,但也可有意利用大气 散射构成散射信道 湍流是指大气中局部温度、压力的随机变化而带来的折射率的随机变化 背景光/热晕
60 º ,2
70.5º ,3
%
1.6
2.0
3.0 波长 (m)
4.0
4.5
5.0
AO----部分解决大气湍流问题
自适应光学(AO)技术,在天文观察领域提
出,用于改善大气湍流条件下的天体成像质量
AO主要改善光束聚焦质量,在通信中可抑制 光电检测器上光斑的功率波动,提高接收性能
9.3.2 卫星光通信系统
大气湍流
其它
大气透射谱
100 80
透 60 射 率 ( 40 )
20 0 0.3
º =0 1 角 比= 顶 天 质量 ,2 60 º 气 大 ,3 5º 70.
一种大气激光通信系统抗干扰调制解调技术
3
I n s t i t u t e o S a c e P h o t o- E l e c t r o n i c T e c h n o l o C h a n c h u n U n i v e r s i t o S c i e n c e a n d T e c h n o l o f p g y, g y f g y, C h a n c h u n, J i l i n1 3 0 0 2 2, C h i n a g
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A b s t r a c t h e n f r e e s a c e o t i c a l c o mm u n i c a t i o n s s t e m u s e s t h e a t m o s h e r e a s a m e d i u m f o r i n f o r m a t i o n W p p y p , , , t r a n s m i s s i o nr e c e i v e d s i n a l s a r e i n e v i t a b l i n f l u e n c e d b t h e a t m o s h e r i c e n v i r o n m e n t a t m o s h e r i c t u r b u l e n c e g y y p p , b a c k r o u n d l i h t f a c t o r s a n d s o o n .C o n s i d e r i n t h a t t h e a t m o s h e r e c h a n n e l h a s a r e a t i n f l u e n c e o n t h e l a s e r g g g p g ,a / a t m o s h e r e c o mm u n i c a t i o n u a l i t m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o n t e c h n o l o b a s e d o n o l a r i z a t i o n a r a m e t e r s i s p q y p p g y , r o o s e d a n d a n a t m o s h e r i c l a s e r c o mm u n i c a t i o n s s t e m b a s e d o n o l a r i z a t i o n s h i f t k e i n P o l S K) i s d e s i n e d . p p p y p y g( g , o l a r i z a t i o n o l a r i z a t i o n T h i s s s t e m u s e s s h i f t k e i n m o d u l a t i o n . I n t h i s m o d u l a t i o n t w o r o t a t i o n s t a t e s o f c i r c l e p p y y g ( ) , l e f t a n d r i h t a r e u s e d f o r i n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o n . I n t h e r e c e i v e r t h e o t i c a l s i n a l i s d e t e c t e d w i t h b a l a n c e g p g ,t m e t h o d .A t t h e s a m e t i m e h e o f t h e s s t e m i s s i m u l a t e d .T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e t e c t i o n e r f o r m a n c e y p / , m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o n t e c h n i u e s b a s e d o n o l a r i z a t i o n a r a m e t e r s h a v e u n i u e a d v a n t a e s s u c h a s a n t i q - q p p g , a t m o s h e r i c i n t e r f e r e n c e h i h d a t a r a t e a n d l o w b i t e r r o r r a t e . I t w i l l h a v e b r o a d r o s e c t s f o r d e v e l o m e n t a n d p g p p p a l i c a t i o n i n f u t u r e s a c e l a s e r c o mm u n i c a t i o n . p p p ; ; ; K e w o r d s t i c a l c o mm u n i c a t i o n s o l a r i z a t i o n s h i f t k e i n b a l a n c e d e t e c t i o n b i t e r r o r r a t e o p p y g y O C I S c o d e s 6 0. 4 5 1 0; 0 1 0. 1 3 0 0; 2 5 0. 4 1 1 0; 2 5 0. 0 0 4 0 0 2 0 1 1 1 2 1 3;收到修改稿日期 : 2 0 1 2 0 4 1 6 收稿日期 : - - - - ) 基金项目 :国家自然科学基金面上项目 ( 资助课题 。 6 0 6 7 7 0 0 9 , 作者简介 :刘 丹 ( 女, 博士研究生 , 主要从事电子科学与技术 、 激光通信技术等方面的研究 。 1 9 8 6—) : E a i l l i u d a n c u s t 2 6. c o m -m @1 , 导师简介 :姜会林 ( 男, 博士 , 教授 , 主要从事光学系统设计 、 激光通信技术等方面的研究 。 1 9 4 5—) : E a i l h l i a n u b l i c . c c . l . c n -m @p j g j 0 7 0 5 0 0 4 1 -
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大气激光通信系统的研究摘要:激光信息在大气中传输是目前大气光学领域最为活跃的研究热点之一。
由于激光本身所具有的高强度、高相干性、高单色性和高方向性等特性,从而有容量大、波束窄、速度快、保密性好和抗干扰性强等优点,因此激光成为无线光通信中最理想的载体。
本文概述了大气激光通信的基本原理及发展状况,介绍了其特点和用途。
并以一种新型的具有以太网接口,能实现计算机间通信的大气激光通信系统(既可传输语音又可传输数据)为例,结合实验研究对发射端机和接收端机两大部分进行了阐述。
并针对大气无线激光通信系统,本文深入地研究了大气湍流信道中随机光强信号的检测方法,对激光束在大气湍流信道中的传输进行了仿真和建模,并对实际的大气湍流信道进行了测量。
关键词:大气激光通信光发射端机光接收端机损耗特性激光器一.激光通信的概述1960年激光的出现极大地促进了许多学科的发展,其中也包括通信领域激光以其良好的方向性、相干性及高亮度性等特点成为光通信的理想光源。
将激光应用于通信,掀开了现代光通信史上崭新的一页,成为当今信息传递的主力军。
激光通信是以激光光束作为信息载体的一种通信方式,和传统的电通信一样,它可分为有线激光通信和无线激光通信两种形式。
其中,有线激光通信就是近年来发展迅猛的光纤通信。
无线激光通信也可称为自由空间激光通信,它直接利用激光在大气或太空中进行信号传递,可进行语音、数据、电视、多媒体图像等信号的高速双向传递。
这是目前国际上的一大研究热点,世界上各主要技术强国正投入大量的人力物力来抢占这一领域的技术优势。
根据使用情况,无线激光通信可分为:点对点、点对多点、环形或网络状通信。
在本文中,我们主要研究的是点对点的通信。
此外,根据传输信道的不同,无线激光通信又可分为:大气激光通信、星际(深空)激光通信和水下激光通信川。
大气激光通信是自由空间激光通信的一个分支,它以近地面大气作为传输媒介,是激光出现后最先研制的一种通信方式。
大气激光通信系统主要由光源、调制器、光发射机、光接收机及附加的电信发送和接收设备等组成,只要相互进行瞄准即可进行通信。
根据所用光源的不同,大气激光通信系统大致可分为半导体激光通信系统、气体激光通信系统和固体激光通信系统。
半导体激光器体积小,重量轻,灵活方便,但光束发散角稍大,适合于近地面的短距离通信。
气体激光通信系统的体积和重量都较大,但其通信容量也大,光束发散角较小,适合于卫星间的通信和定点之间的大容量通信。
因此,在实践中,根据通信系统在不同应用场合中的要求,合理选取光源。
大气激光通信系统的主要应用和优点大气激光通信系统是无线激光通信的一种,因此具有无线激光通信的优点。
与微波通信系统相比,大气激光通信系统具有不挤占频带,通信容量大,传输率高,抗电磁干扰和防止窃听等优势。
此外,与有线通信系统相比,它还具有机动灵活、经济实用、架设快捷、使用方便、不影响市政建设等诸多优点。
随着大气通信技术的日益成熟,该系统的应用将会越来越广泛。
根据其特点,它可应用于下列场合:民用上:①有强电磁干扰的场所;②一些不宜布线的场所,比如在具有纪念意义的古建筑,危险性大的工厂、车间;③在走线成本高、施工难度大或经市政部门审批困难的场合,如马路两侧建筑物之间、不易架桥的江河两岸之间、山头之间及边远山区等;④一些临时性的场所,如展览厅、短期租用的商务办公室或临时野外工作环境下,可作为有线系统的应急备用系统;二. 本课题国内外的研究现状分析2.1国际研究概况国际上大气激光通信的研究是综合卫星、飞机、地面等方面进行的,从事这方面研究的主要机构在美国、日本和欧洲。
由于该系统主要是以国防军为主要目的,因此欧美日的主要研究机构一般都是国家或军事部门,如美国的航空宇宙航行局(NASA)和美国空军;日本的邮政省通信研究室(CTL)和宇宙开发事业团(NASDA );欧洲的欧洲航天署(ESA)等。
这里我们主要介绍世界各公司推出的用于地面无线光通信的已商用化的产品。
美国是世界上最早开展激光通信技术研究的国家,也是研究技术走在最前沿的国家之一,2000年夏季由国际通信业巨头美国郎讯推出的光通信商用系统。
他们采用四波长波分复用技术,每路波长速率为2. 5Gbps,总容量达l OGbps,工作距离达5公里。
2.2日本及欧洲目前,日本的Hamamatsu公司研制出了用于Intranet的传输速率久155Mbps 的产品;Sony公司研制出了带跟踪瞄准性能的传输速率叉622Mbps的产品;Canon 公司也研制出了DT 50产品,其传输速率戈25一622Mbps o此外,英国的PA V公司、德国的CBL公司、韩国的Taehan公司等多家企业也都各自推出了不同技术水平的产品。
2.3国内研究概况和国际相比,我国的研究相对单一,但对大气激光通信技术的研究起步并不比国际晚,早在1963年我国就开始了对大气激光通信的研究。
1974年电子工业部34所推出了Nd:YAG激光大气通信系统实验样机,并成功进行了外场实验,通信距离约13km"'。
与此同时,电子科技大学、桂林激光研究所、北京邮电大学、武汉邮电科学研究院及北京、长春、合肥等地的一些单位也相继展开了对大气激光通信的研究。
三.系统组成和总体方案大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的系统,它们相互向对方发射被调制的激光信号(声音或数据),接收并解调来自对方的激光信号,实现双工通信,即通信双方都可同时发送和同时接收信息。
其中一台激光通信机的基本工作原理如图所示(图中只画出系统的发射和接收部分)。
大气传输光通信系统原理框图由图可见,每套端机包括发射机和接收机,安装于一个机箱之内。
发射机的主要组成部件有:(1)半导体激光器发射光源以及它的夔动电源。
(2)发射望远镜。
(3)信号输入和处理的电路。
要传输的信号可以从电端口输入,也可以从光纤端口输入,经放大输出到激光器跳驱动器,来推动激光器。
接收机的主要组成部件有:(1)硅APD探测器。
(2)接收望远镜(3)信号放大处理电路。
探测到的光信号在APD管转化为光电流后,经前置放大、整形放大。
输出方式也有二种:一是放大后以ECL或TTL电信号从电端口输出。
另一种是输出到1. 3微米激光器的驱动器,推碳激光器,从光纤端口输出光信号。
另外每台样机都配置一个瞄准望远镜,由于该通信端机既有电端口又有光纤端口,实现了与其它通信设摊接口匹配的问题,可灵活地适应各种场合的使用,实用价值得到了提高设备发出的调制信号不仅可在大气传输,也能直接利用光纤作为载体桂输,克服了在天气恶劣情况下无法通信的缺陷。
3. 1光发射端机的基本原理与结构1.光发射端机的设计考虑在光通信系统中,由光发射机来完成将电信号转变为光信号的功能。
光发射机的关键器件就是光源,因此必须合理选取光源。
在3. 2节中将详细介绍光源的选取。
此外,光发射机主要由接口电路、调制电路、温控及驱动电路等单元电路组成,在设计中,为保证设备能适应野外环境,所有电路器件的选择应从严要求,尽量选用宽温器件;为保证设备工作的可靠性,尽量采用成熟的单元电路功能模块。
2.光发射端机的基本结构图中,接口电路的作用是将计算机网卡与调制电路连接起来,使之能同步协调工作。
关于接口电路的研究在后面的章节中会具体提及。
调制电路的作用是把二进制脉冲调制成适宜在信道上传输的波形。
由于半导体激光器的输出功率与温度密切相关,因此一般还有自动温度控制(ATC)电路。
由于本论文的目标是研制作用距离数公里量级、定点工作的通信机,暂时不考虑光信号的自动跟踪瞄准。
因此瞄准装置(瞄准镜)可以采用市场采购的方式解决。
3.光接收端机的基本原理与结构1.光接收端机的设计考虑光接收端机的作用是将接收天线接收到的微弱光信号转换成电信号,并进行放大输出。
它主要由光电探测器、前置放大电路、主放大电路、自动增益控制电路、均衡电路、码型变换、输出接口电路等部分构成。
设计时,元器件的选择和单元电路的设计同光发射机一样,尽量采用成熟的单元电路功能模块;此外,设计时除了认真研究分析电子线路中的量子噪声、热噪声、散弹噪声外,还要考虑恶劣气候(雨、雾、雪、湍流等)出现的附加噪声;为保证系统具有强的抗干扰能力和抵御大气衰减的能力,设计光发射功率要足够大,这就要求光接收机具有很宽的光动态范围;最后,如何减少背景光的干扰也是光接收端机设计时需要考虑的一个问题。
光接收端机的基本结构2.接收端机的噪声分析在信号的传输过程中对信号影响的因素都可以归结为噪声,噪声主要来自三个方面:发射机方面、大气方面、接收部分方面。
发射方面的噪声主要是激光器自身的原因和各种匹配等因素造成的,大气的影响主要是由大气中的粒子对红外光的吸收和散射造成的。
这两点在前面文章中己有叙述,这里就不再介绍。
接收部分的主要噪声源有:暗电流噪声、散粒噪声、热噪声、放大器噪声和背景噪声,这里将作详细分析。
四. 大气激光传输链路的设计方案4.1激光光源1.大气激光通信系统对光源的要求在大气激光通信中,将电信号转变成光信号是由光发射机来完成的。
光发射机的关键器件是光源,激光通信对光源的要求可以概括为:a.光源发射的峰值波长,应在大气通信窗口内,大气窗口在近红外谱段主要有路径效应[ys}。
使得激光束在大气中产生光斑闪烁、漂移、断裂等因素,影响通信链路的稳定性。
因此大气因素和天气状况是影响通信链路的主要因素。
1)大气效应对通信链路的影响大气中对激光信号的影响主要体现在大气的散射效应、吸收效应、湍流效应三部分。
i)散射效应大气散射效应主要有灰尘颗粒和气溶胶颗粒对光束的散射效应最严重。
灰尘颗粒尺寸分布从10恤m到,um量级。
当激光波长远远大于散射粒子直径时,就会产生瑞利散射,其散射系数可表示为上式中N为单位体积的粒子数目,入为光波波长,n为折射率。
在干燥的空气中瑞利散射系数可近似表示为从上式中看出,瑞利散射系数和波长有关,波长越小,力越强。
当粒子尺寸小于0.03,um时,其散射误差小于1%0当激光波长接近散射粒子直径时,就会产生米耶散射,瑞利散射系数越大。
散射能其散射系数可表示为上式中,N(d)表示单位体积的粒子数,d为粒子直径,Q、为米耶散射效率。
米耶散射效率是粒子散射的能量与入射到粒子几何截面上的能量之比,它是粒子的相对尺度和复折射率的函数。
n, Ko分别是复折射率的实部和虚部。
当粒子半径在p和r:之间连续分布时,米耶散射系数可由下列积分求得:通常情况下,小雨、雾、霆等颗粒尺寸接近于激光波长,此时的灰尘与水蒸气都满足米耶散射效应。
大气的散射效应会改变激光光束的能量分布却不会损失光束能量。
经过大气散射的激光束在原来的传播方向上能量减少。
因此要尽可能的增大光学天线的接收面积,减少光束在传播方向上的能量损失。
ii)吸收效应大气对激光光束具有吸收效应,气体分子对每个波段的吸收强弱不尽相同。