大气湍流光强闪烁效应的抑制技术研究
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[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).
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
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
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。
统中自适应光学技术的使用可以降低由于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 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。
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
采用分集 接收技术
采用自适 应光学补 偿技术
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。
[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.
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。
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。
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
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
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.
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。
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
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
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
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
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。
[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]
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.
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[]。
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
百度文库
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]
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。
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).
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
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
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。
统中自适应光学技术的使用可以降低由于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 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。
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
采用分集 接收技术
采用自适 应光学补 偿技术
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。
[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.
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。
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。
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
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
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.
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。
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
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
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
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
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。
[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]
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.
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[]。
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
百度文库
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]
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。