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晴空大气湍流对自由空间光通信影响及校正研究

作　者: 李菲
导　师: 吴毅
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 光学
关键词: 大气湍流光强起伏自由空间光通信误码率最佳阈值
分类号: TN929.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着信息技术的发展,基于微波的传统通信系统已经无法满足数据传输性能和安全性能的要求。自由空间光通信具有通信容量大、保密性好、抗电磁干扰、功耗低、设备体积小、重量轻和无需频率使用许可等优点,因此已经成为无线通信技术领域的研究热点之一。当作为信息载体的激光束在大气中传输时,会受到大气衰减和湍流效应等一系列影响,导致通信系统性能降低。目前大气影响已经成为制约自由空间光通信进一步发展的瓶颈。本文针对自由空间光通信应用,主要研究了大气对激光传输的影响机理及校正技术。全文可以分为以下几个部分：(1)从理论上研究了大气对自由空间光通信中激光传输的影响机理和形式。介绍了大气的各种物理性质和云、雾等大气现象,分析了大气吸收和散射引起的衰减效应。阐述了大气湍流的物理模型和统计特性,根据大气激光传输的基本理论,系统研究了光强闪烁、光束扩展、光束漂移、到达角起伏和焦平面光斑弥散等影响通信性能的湍流效应。(2)针对大气信道中的强度调制／直接检测自由空间光通信系统,改进了误码率计算模型。根据自由空间光通信系统的基本组成和工作原理,将误码率计算模型分为大气传输、光电探测和阈值判决三个模块。大气传输模块考虑了大气衰减、光束扩展和光强闪烁的影响,适用于弱起伏条件下；光电探测模块是根据强度调制／直接检测系统中雪崩二极管探测器的输出特性而建立；结合大气传输和光电探测模块,并将乘性噪声的影响添加到阈值判决模块,提出了误码率计算的改进模型。(3)设计并实现了一套自由空间光通信模拟实验系统,并给出了在距离为1Km链路上不同大气条件下得到的闪烁指数、误码率和光强概率分布等实验结果。通过对实验数据的处理,分析了散粒噪声对于闪烁指数测量的影响,提出了在低信噪比条件下仍有效的改进测量方法；将实验参数代入误码率经典模型和改进模型,比较了两种模型计算结果的准确度；分析了背景噪声和光强起伏对系统误码率的影响；将基于极大似然拟合分布和对数正态分布两种模型得到的误码率计算值与实测值进行了比较。(4)基于误码率改进模型,提出了一种根据信号光强和湍流强度等缓变统计量的最优阈值,实现了大气湍流影响校正。通过仿真计算和实验测量研究了最优阈值的各种特性,并使用非线性回归得到最优阈值的近似解析表达式。研究结果显示,使用这种阈值优化方法可以降低系统误码率,虽然相比理论最小值还有一定差距,但是对于弱起伏条件下的常规自由空间光通信系统是可以接受的。如果可以使信号光强保持稳定,那么最优阈值的波动可以忽略。(5)分析了gamma-gamma分布在仿真计算中的溢出问题,并且提出了两种可以有效解决溢出的改进计算模型；提出一种FSK自由空间光通信系统的设计方案,并使用Optisystem软件对系统性能进行了仿真研究,验证了该方案的可行性。本文的研究成果不仅可用于自由空间光通信系统误码率的仿真研究,也可以为工程系统设计评价、站点选址和相关理论研究提供一定参考。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-22
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-20
    1.2.1 自由空间光通信的研究现状  13-15
    1.2.2 大气对自由空间光通信影响的研究现状  15-17
    1.2.3 大气影响校正技术的研究现状  17-20
  1.3 内容及组织  20-22
第2章自由空间光通信中的大气影响机理  22-48
  2.1 大气物理特性  22-25
    2.1.1 大气的组成与分层  22-24
    2.1.2 大气折射  24-25
  2.2 大气吸收和散射  25-30
    2.2.1 大气吸收  26-27
    2.2.2 大气散射  27-28
    2.2.3 大气衰减  28-30
  2.3 大气湍流效应  30-45
    2.3.1 大气湍流的物理模型  30-31
    2.3.2 大气湍流的统计特性  31-35
    2.3.3 激光在大气湍流中的传输  35-40
    2.3.4 影响自由空间光通信性能的大气湍流效应  40-45
  2.4 本章小结  45-48
第3章大气信道中的自由空间光通信系统模型  48-62
  3.1 自由空间光通信系统简介  48-53
    3.1.1 基本组成  48-50
    3.1.2 常见工作方式  50-53
  3.2 自由空间光通信系统模型  53-60
    3.2.1 大气传输模块  54-56
    3.2.2 光电探测模块  56-58
    3.2.3 阈值判决模块  58-60
  3.3 本章小结  60-62
第4章自由空间光通信模拟实验研究  62-82
  4.1 实验系统  62-71
    4.1.1 实验系统组成  62-65
    4.1.2 实验方案  65-67
    4.1.3 实验数据处理  67-71
  4.2 实验结果与分析  71-80
    4.2.1 闪烁指数  71-74
    4.2.2 误码率  74-77
    4.2.3 光强概率分布  77-80
  4.3 本章小结  80-82
第5章大气影响校正技术研究  82-94
  5.1 常见校正技术  82-85
  5.2 自适应阈值  85-86
  5.3 常量最优阈值  86-92
  5.4 本章小结  92-94
第6章其它相关研究  94-108
  6.1 Gamma-gamma分布在计算中的溢出问题分析  94-99
    6.1.1 数值溢出问题分析  94-96
    6.1.2 溢出问题的处理  96-97
    6.1.3 数值模拟验证  97-99
  6.2 FSK自由空间光通信系统的Optisystem仿真  99-107
    6.2.1 多普勒效应分析  100-101
    6.2.2 设计方案  101-102
    6.2.3 实验仿真  102-107
  6.3 本章小结  107-108
结论  108-110
参考文献  110-118
致谢  118-119
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  119

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