大气湍流光强闪烁效应的抑制技术研究
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[3]韩立强, 王祁, 信太克, 李志全.基于自适应光学补偿的自由空间光通信系统性能研究[J].应用光学， 2010,31(2)：301-304. [4] Wu Yunyun,Li Xinyang. Research and Simulation about Effect of Adaptive Optics on Atmospheric Optical Communication[J]. Acta Optica Sinica, 2011, 31(s1): s100212. [5] 刘超，陈善球，廖周.自适应光学技术在通信波段对大气湍流的校正[J].光学精密工程， 2014,22(10):2605-2610.
图1基于自适应光学自由空间光通信系统框图
光发射机发出的光束经过大气湍流后 ,波前传感器进行波前测量,然 后通过波前复原算法重构出波前信息 , 波前控制器将波前传感器探测到
的信号经过控制算法转化为波前校正器的控制信号 ,驱动波前校正器改
变波前形状,从而有效地校正各种扰动对激光光束质量的影响 ,得到接近 衍射极限的输出激光光束 , 最后经过自适应光学系统校正的光束送入通
自适应光学补偿技术
迄今为止，国内外对自适应光学技术对大气激光通信系统 补偿效果进行了大量的分析研究，用以评估自适应光学技术对
于降低大气湍流效应对通信系统性能的影响。在国外，以美国
的 Tyson 为主要代表，给出了 OOK，IM/DD 模式下光强起伏 与误码率的理论关系式，同时仿真结果表明：星地激光通信系
图1 弱湍流下部分相干光的光强起伏方差随距 离的变化
图2 弱湍流下光束的光强起伏方差随距离的变化
从图中可以看出，在弱湍流条 件下，光束的光强起伏方差随 着传输距离的增加而增大。传 输相同距离时，部分相干光的 光强起伏方差明显小于完全相 干光，并且随着相干长度的减 小，即相干性下降，部分相干 光的光强起伏方差也在减小。 由此可见，弱湍流条件下，部 分相干光受湍流影响小于完全 相干光。
2. 分集接收技术
分集接收
集中处理
图1 不同接收天线数、不同信道参数 下MRC 合并的误码率性能仿真
图2 不同接收天线数、不同信道参数 下EGC合并的误码率性能仿真
由图1和图2中可以看出，MRC合并算法与EGC合并算法相较无分集时性 能有很大改善，且随着接收天线数目的增大，性能越来越好，说明两 种合并技术可有效地改善系统误码性能，具有较强的抗衰落能力，而 且随着分集支路的增大，对湍流的抑制也愈加明显。
图3 不同接收天线数下MRC与EGC的误码率性能比较
图4 不同信道参数下EGC与SC的误码率性能比较
从图3和图4中可以看出，SC也对系统性能有很好的改善，能有 效抑制大气湍流引起的衰减，但是相比较而言， MRC合并算法 要优于EGC和SC算法。
3. 自适应光学补偿技术
自适应光学技术是一种具备实时校正光学系统由大气湍流引起随机 误差的技术,使光学系统能适应使用条件的变化而保持良好性能,从而能 够有效补偿大气湍流效应引起的误差。 基于自适应光学的自由空间光通信系统模型 自适应光学系统主要由波前传感器、波前控制器和波前校正器三部 分组成,如图1所示。
图3 强湍流下部分相干光的光强起伏方差随距 离的变化
从图中可以看出，与弱湍流下得出 的结论类似，在强湍流条件下，光 束的光强起伏方差随着传输距离的 增加而增大。传输相同距离时，部 分相干光的光强起伏方差明显小于 完全相干光，并且随着相干长度的 减小，即相干性下降，部分相干光 的光强起伏方差也在减小。由此可 见，强湍流条件下，部分相干光受 湍流影响小于完全相干光。
信系统接收机,进行光电转换,从而得到源信号。
光波在湍流大气中传输时由于折射率的起伏使其散射强度会发生起 伏，即出现所谓的闪烁现象，光束经过自适应光学补偿系统校正，其效
果就相当于滤波器,把湍流造成的闪烁滤除掉。
用matlab仿真得到误码率与校正模数的关系曲线
图2上行链路误码率与校正模数
图2上行链路误码率与校正模数
影响、实现有效的信道补偿，需要进行大量的实验研究和理论探索。
[1] Wu X, Liu P, Matsumoto M. A Study on Atmospheric Turbulence Effects in Full-Optical Free-Space Communication Systems[J]. Wireless Communications Networking and Mobile Computing (WiCOM), 2010 6th International Conference，2010:1-5.
统中自适应光学技术的使用可以降低由Fra Baidu bibliotek大气湍流所造成的信
号衰减和起伏程度，使通信系统的误码率提高几个数量级。美 国马里兰大学的Thomas Weyrauch等人于2004年开展了2.3km大
气水平传输通信实验，进行了倾斜和大气像差校正。
在国内，2010年韩立强等[3]在gamma-gamma分布大气湍流中, 用自适 应光学技术对自由空间光通信系统进行补偿 , 进行通信系统误码率的分
有前景的就是自适应光学补偿技术、部分相干光传输技术以及分集接收
技术。因此，我们从这三个方面讨论
[2] Kaur P, Jain V K, Kar S. Effect of atmospheric conditions and aperture averaging on capacity of free space optical links[J]. Optical & Quantum Electronics, 2013, 46(9):1139-1148.
[6] 刘 洋，章国安.弱湍流信道无线光通信分集接收合并技术[J].激光技术，2014,38(5):698-702. [7] 柯熙政，刘妹.湍流信道无线光通信中的分集接收技术[J].光学学报，2015,(1).
部分相干光传输技术
Wolf 和 Carterl 提 出了准单色的高 斯部分相干光源 的概念 Schulz首先在理 论上证明了部分 相干光具有减小 闪烁的特性 柯熙政对部分相 干光在大气湍流 中的光强闪烁效 应进行了研究[9]
研究历史与现状
为了抑制大气湍流带来的闪烁效应，从而降低闪烁误码率，增大有 效传输距离，国内外的学者做出了很大的努力，提出了多种抑制方法，
如: 加大发射功率；增大接收孔径 [2]； 采用微波链路作为系统备份；
采用自适应光学技术补偿湍流造成的影响；采用部分相干光传输技术； 采用分集接收技术减弱光强起伏等。而随着技术的不断发展，目前，最
统性能提高就越大, 说明自适应光学系统在自由空间光通信下行链路
的有效性。 同时从图 2 和图 3 可知补偿模数小于 5 阶时 , 曲线陡峭 , 说明自适应
光学系统用较少的补偿模数就能达到很好的补偿效果, 也就是自适应
光学技术通常选择低阶的倾斜校正就能达到较好的校正效果。
总结与展望
湍流问题作为世纪难题，它对数学、物理学、大气科学、工程 技术、国防科技等领域的重要意义和应用价值，更是自不待言[]。
分集接收技术
分集技术是目前抗衰落的最有效措施之一，它可以通过处理多个不相 关的信号，从而达到改善系统传输性能，克服大气湍流引起的光强闪烁效
应的作用；目前用于对抗大气湍流效应的分集技术有阵列接收、多光束传
输等 1996
Ibrahim 等 人 首先提出可以 将分集技术应 用于自由空间 光通信系统来 提高 传 输 性 能 的思想
大气光强闪烁效应的抑制技术研究
LOGO
主要内容
研究背景与意义
研究历史与现状
光强闪烁的抑制技术 总结与展望
研究背景
自由空间光通信（FSO ）是一种新型的通信方式，它利用光波作为 信息载体在空间域中进行信息的传递。它包括很多的应用领域，例如：
深空、中轨道、地面站之间的 FSO 通信，在某些情况下还可以利用其
图4 强湍流下光束的光强起伏方差随距 离的变化
图5 光强起伏方差改善比随传输距离的变化
从图中可以看出，传输距离越 大，光强起伏方差的改善比 α 越大，即采用部分相干光对光 强起伏的改善程度越小。近距 离传输时，弱湍流下的改善比 α 小于强湍流，说明近距离传 输时，弱湍流下采用部分相干 光对光强起伏方差的改善程度 大于强湍流，但随着传输距离 的增大，弱湍流下的改善比 α 会超过强湍流，说明当传输距 离增大到一定程度时，弱湍流 下采用部分相干光对光强起伏 方差的改善程度会小于强湍流。
进行卫星与地面站之间的通信，一般情况下又把地面站之间的激光通信 称为大气激光通信。
自由空间光通信具有带宽很宽、无需频谱许可证、部署快速便携、
成低等优点。但是，易受到大气湍流的影响，大气湍流会导致大气闪烁 、光束漂移、到达角起伏和相位畸变等效应，对无线光通信系统的信噪
比、误码率等性能指标产生很大的影响[1]。因此，为了克服大气湍流的
[10][11]
Salem 等从理论 上分析了大气湍 流中部分相干光 比完全相干光更 适于进行长距离 传输
张磊等人实验测 量了不同空间相 干度的部分相干 光在实际大气湍 流中传输的闪烁 指数[8]
[8]张磊, 陈子阳, 熊梦苏等. 部分相干光在大气湍流中传输的闪烁指数[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26(9):71-75. [9]柯熙政,韩美苗,王明军. 部分相干光在大气湍流中斜程传输路径上的展宽与漂移[J]. 光子学报, 2015, 44(3):0306001 . [10]柯熙政, 韩美苗, 王明军. 部分相干光在大气湍流中水平传输路径上的展宽与漂移[J]. 光学学报, 2014, (11). [11]柯熙政, 张宇. 部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应[J]. 光学学报, 2015, (1).
2006
Fernandez等 人证实了相干 检测—分集技 术可以有效地 补偿大气湍流 的影响
2014
刘洋等人对弱 湍流信道无线 光通信分集接 收合并技术进 行研究分集接 收合并技术具 有较好的 抗大 气信道衰落能 力[6]
2015
柯熙政对强湍 流信道无线光 通信分集接收 技术进行研究 ，分集接收能 在很大程度上 改善大气激光 通信的性能[7]
从图 2 中可以看出系统下行链路误码率与校正模数的关系 , 随着校正模 数增大,相应自由空间光通信的误码率大大降低,当然补偿模数越多,系 统性能提高就越大,说明自适应光学系统在自由空间光通信上行链路的 有效性。
图3表明了系统上行链路误码率与校正模数的关系,随着校正模数 增大, 相应自由空间光通信的误码率大大降低 , 当然补偿模数越多 , 系
大气闪烁效应的抑制技术
大气闪烁抑 制技术
采用部分 相干光传 输技术 采用自适 应光学补 偿技术
采用分集 接收技术
1. 部分相干光传输技术
从图中可以看到，在弱湍流条件 下，传输相同距离时，随着大气 折射率结构常数的增大，部分相 干光的光强起伏方差也随之增大 且大气折射率结构常数越大，光 强起伏方差随传输距离增加的速 度越快，这是由于随着大气折射 率的增大，湍流引起的接收光强 度随时间和空间位置的随机变化 增强而导致的。
析, 给出了上行链路和下行链路的模拟结果。2012年武云云等[4]从实验
和仿真两方面研究了自适应光学（AO ）补偿大气湍流的影响，并提出接 收端AO校正后，平均误码率比校正前降低2～3 个数量级；发射端AO校正
后，平均误码率比校正前降低近7 个数量级。2014年[5]刘超等针对大气
湍流引起的激光光强、相位和传输方向的随机变化对大气激光通信质量 的影响，开展了用自适应光学（AO）技术校正大气湍流影响的研究。
在强湍流环境下，仿真得到光强起伏方差随传输距离的变化曲线
从图中可以看出，与弱湍流下得出 的结论类似，在强湍流条件下，光 束的光强起伏方差随着传输距离的 增加而增大。传输相同距离时，部 分相干光的光强起伏方差明显小于 完全相干光，并且随着相干长度的 减小，即相干性下降，部分相干光 的光强起伏方差也在减小。由此可 见，强湍流条件下，部分相干光受 湍流影响小于完全相干光。
对于无线光通信领域，湍流效应引起的光强起伏、光斑抖动相位畸
图1基于自适应光学自由空间光通信系统框图
光发射机发出的光束经过大气湍流后 ,波前传感器进行波前测量,然 后通过波前复原算法重构出波前信息 , 波前控制器将波前传感器探测到
的信号经过控制算法转化为波前校正器的控制信号 ,驱动波前校正器改
变波前形状,从而有效地校正各种扰动对激光光束质量的影响 ,得到接近 衍射极限的输出激光光束 , 最后经过自适应光学系统校正的光束送入通
自适应光学补偿技术
迄今为止，国内外对自适应光学技术对大气激光通信系统 补偿效果进行了大量的分析研究，用以评估自适应光学技术对
于降低大气湍流效应对通信系统性能的影响。在国外，以美国
的 Tyson 为主要代表，给出了 OOK，IM/DD 模式下光强起伏 与误码率的理论关系式，同时仿真结果表明：星地激光通信系
图1 弱湍流下部分相干光的光强起伏方差随距 离的变化
图2 弱湍流下光束的光强起伏方差随距离的变化
从图中可以看出，在弱湍流条 件下，光束的光强起伏方差随 着传输距离的增加而增大。传 输相同距离时，部分相干光的 光强起伏方差明显小于完全相 干光，并且随着相干长度的减 小，即相干性下降，部分相干 光的光强起伏方差也在减小。 由此可见，弱湍流条件下，部 分相干光受湍流影响小于完全 相干光。
2. 分集接收技术
分集接收
集中处理
图1 不同接收天线数、不同信道参数 下MRC 合并的误码率性能仿真
图2 不同接收天线数、不同信道参数 下EGC合并的误码率性能仿真
由图1和图2中可以看出，MRC合并算法与EGC合并算法相较无分集时性 能有很大改善，且随着接收天线数目的增大，性能越来越好，说明两 种合并技术可有效地改善系统误码性能，具有较强的抗衰落能力，而 且随着分集支路的增大，对湍流的抑制也愈加明显。
图3 不同接收天线数下MRC与EGC的误码率性能比较
图4 不同信道参数下EGC与SC的误码率性能比较
从图3和图4中可以看出，SC也对系统性能有很好的改善，能有 效抑制大气湍流引起的衰减，但是相比较而言， MRC合并算法 要优于EGC和SC算法。
3. 自适应光学补偿技术
自适应光学技术是一种具备实时校正光学系统由大气湍流引起随机 误差的技术,使光学系统能适应使用条件的变化而保持良好性能,从而能 够有效补偿大气湍流效应引起的误差。 基于自适应光学的自由空间光通信系统模型 自适应光学系统主要由波前传感器、波前控制器和波前校正器三部 分组成,如图1所示。
图3 强湍流下部分相干光的光强起伏方差随距 离的变化
从图中可以看出，与弱湍流下得出 的结论类似，在强湍流条件下，光 束的光强起伏方差随着传输距离的 增加而增大。传输相同距离时，部 分相干光的光强起伏方差明显小于 完全相干光，并且随着相干长度的 减小，即相干性下降，部分相干光 的光强起伏方差也在减小。由此可 见，强湍流条件下，部分相干光受 湍流影响小于完全相干光。
信系统接收机,进行光电转换,从而得到源信号。
光波在湍流大气中传输时由于折射率的起伏使其散射强度会发生起 伏，即出现所谓的闪烁现象，光束经过自适应光学补偿系统校正，其效
果就相当于滤波器,把湍流造成的闪烁滤除掉。
用matlab仿真得到误码率与校正模数的关系曲线
图2上行链路误码率与校正模数
图2上行链路误码率与校正模数
影响、实现有效的信道补偿，需要进行大量的实验研究和理论探索。
[1] Wu X, Liu P, Matsumoto M. A Study on Atmospheric Turbulence Effects in Full-Optical Free-Space Communication Systems[J]. Wireless Communications Networking and Mobile Computing (WiCOM), 2010 6th International Conference，2010:1-5.
统中自适应光学技术的使用可以降低由Fra Baidu bibliotek大气湍流所造成的信
号衰减和起伏程度，使通信系统的误码率提高几个数量级。美 国马里兰大学的Thomas Weyrauch等人于2004年开展了2.3km大
气水平传输通信实验，进行了倾斜和大气像差校正。
在国内，2010年韩立强等[3]在gamma-gamma分布大气湍流中, 用自适 应光学技术对自由空间光通信系统进行补偿 , 进行通信系统误码率的分
有前景的就是自适应光学补偿技术、部分相干光传输技术以及分集接收
技术。因此，我们从这三个方面讨论
[2] Kaur P, Jain V K, Kar S. Effect of atmospheric conditions and aperture averaging on capacity of free space optical links[J]. Optical & Quantum Electronics, 2013, 46(9):1139-1148.
[6] 刘 洋，章国安.弱湍流信道无线光通信分集接收合并技术[J].激光技术，2014,38(5):698-702. [7] 柯熙政，刘妹.湍流信道无线光通信中的分集接收技术[J].光学学报，2015,(1).
部分相干光传输技术
Wolf 和 Carterl 提 出了准单色的高 斯部分相干光源 的概念 Schulz首先在理 论上证明了部分 相干光具有减小 闪烁的特性 柯熙政对部分相 干光在大气湍流 中的光强闪烁效 应进行了研究[9]
研究历史与现状
为了抑制大气湍流带来的闪烁效应，从而降低闪烁误码率，增大有 效传输距离，国内外的学者做出了很大的努力，提出了多种抑制方法，
如: 加大发射功率；增大接收孔径 [2]； 采用微波链路作为系统备份；
采用自适应光学技术补偿湍流造成的影响；采用部分相干光传输技术； 采用分集接收技术减弱光强起伏等。而随着技术的不断发展，目前，最
统性能提高就越大, 说明自适应光学系统在自由空间光通信下行链路
的有效性。 同时从图 2 和图 3 可知补偿模数小于 5 阶时 , 曲线陡峭 , 说明自适应
光学系统用较少的补偿模数就能达到很好的补偿效果, 也就是自适应
光学技术通常选择低阶的倾斜校正就能达到较好的校正效果。
总结与展望
湍流问题作为世纪难题，它对数学、物理学、大气科学、工程 技术、国防科技等领域的重要意义和应用价值，更是自不待言[]。
分集接收技术
分集技术是目前抗衰落的最有效措施之一，它可以通过处理多个不相 关的信号，从而达到改善系统传输性能，克服大气湍流引起的光强闪烁效
应的作用；目前用于对抗大气湍流效应的分集技术有阵列接收、多光束传
输等 1996
Ibrahim 等 人 首先提出可以 将分集技术应 用于自由空间 光通信系统来 提高 传 输 性 能 的思想
大气光强闪烁效应的抑制技术研究
LOGO
主要内容
研究背景与意义
研究历史与现状
光强闪烁的抑制技术 总结与展望
研究背景
自由空间光通信（FSO ）是一种新型的通信方式，它利用光波作为 信息载体在空间域中进行信息的传递。它包括很多的应用领域，例如：
深空、中轨道、地面站之间的 FSO 通信，在某些情况下还可以利用其
图4 强湍流下光束的光强起伏方差随距 离的变化
图5 光强起伏方差改善比随传输距离的变化
从图中可以看出，传输距离越 大，光强起伏方差的改善比 α 越大，即采用部分相干光对光 强起伏的改善程度越小。近距 离传输时，弱湍流下的改善比 α 小于强湍流，说明近距离传 输时，弱湍流下采用部分相干 光对光强起伏方差的改善程度 大于强湍流，但随着传输距离 的增大，弱湍流下的改善比 α 会超过强湍流，说明当传输距 离增大到一定程度时，弱湍流 下采用部分相干光对光强起伏 方差的改善程度会小于强湍流。
进行卫星与地面站之间的通信，一般情况下又把地面站之间的激光通信 称为大气激光通信。
自由空间光通信具有带宽很宽、无需频谱许可证、部署快速便携、
成低等优点。但是，易受到大气湍流的影响，大气湍流会导致大气闪烁 、光束漂移、到达角起伏和相位畸变等效应，对无线光通信系统的信噪
比、误码率等性能指标产生很大的影响[1]。因此，为了克服大气湍流的
[10][11]
Salem 等从理论 上分析了大气湍 流中部分相干光 比完全相干光更 适于进行长距离 传输
张磊等人实验测 量了不同空间相 干度的部分相干 光在实际大气湍 流中传输的闪烁 指数[8]
[8]张磊, 陈子阳, 熊梦苏等. 部分相干光在大气湍流中传输的闪烁指数[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26(9):71-75. [9]柯熙政,韩美苗,王明军. 部分相干光在大气湍流中斜程传输路径上的展宽与漂移[J]. 光子学报, 2015, 44(3):0306001 . [10]柯熙政, 韩美苗, 王明军. 部分相干光在大气湍流中水平传输路径上的展宽与漂移[J]. 光学学报, 2014, (11). [11]柯熙政, 张宇. 部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应[J]. 光学学报, 2015, (1).
2006
Fernandez等 人证实了相干 检测—分集技 术可以有效地 补偿大气湍流 的影响
2014
刘洋等人对弱 湍流信道无线 光通信分集接 收合并技术进 行研究分集接 收合并技术具 有较好的 抗大 气信道衰落能 力[6]
2015
柯熙政对强湍 流信道无线光 通信分集接收 技术进行研究 ，分集接收能 在很大程度上 改善大气激光 通信的性能[7]
从图 2 中可以看出系统下行链路误码率与校正模数的关系 , 随着校正模 数增大,相应自由空间光通信的误码率大大降低,当然补偿模数越多,系 统性能提高就越大,说明自适应光学系统在自由空间光通信上行链路的 有效性。
图3表明了系统上行链路误码率与校正模数的关系,随着校正模数 增大, 相应自由空间光通信的误码率大大降低 , 当然补偿模数越多 , 系
大气闪烁效应的抑制技术
大气闪烁抑 制技术
采用部分 相干光传 输技术 采用自适 应光学补 偿技术
采用分集 接收技术
1. 部分相干光传输技术
从图中可以看到，在弱湍流条件 下，传输相同距离时，随着大气 折射率结构常数的增大，部分相 干光的光强起伏方差也随之增大 且大气折射率结构常数越大，光 强起伏方差随传输距离增加的速 度越快，这是由于随着大气折射 率的增大，湍流引起的接收光强 度随时间和空间位置的随机变化 增强而导致的。
析, 给出了上行链路和下行链路的模拟结果。2012年武云云等[4]从实验
和仿真两方面研究了自适应光学（AO ）补偿大气湍流的影响，并提出接 收端AO校正后，平均误码率比校正前降低2～3 个数量级；发射端AO校正
后，平均误码率比校正前降低近7 个数量级。2014年[5]刘超等针对大气
湍流引起的激光光强、相位和传输方向的随机变化对大气激光通信质量 的影响，开展了用自适应光学（AO）技术校正大气湍流影响的研究。
在强湍流环境下，仿真得到光强起伏方差随传输距离的变化曲线
从图中可以看出，与弱湍流下得出 的结论类似，在强湍流条件下，光 束的光强起伏方差随着传输距离的 增加而增大。传输相同距离时，部 分相干光的光强起伏方差明显小于 完全相干光，并且随着相干长度的 减小，即相干性下降，部分相干光 的光强起伏方差也在减小。由此可 见，强湍流条件下，部分相干光受 湍流影响小于完全相干光。
对于无线光通信领域，湍流效应引起的光强起伏、光斑抖动相位畸