【摘要】：移動互聯(lián)網(wǎng)、高分辨率圖像傳感器和云存儲云計算等技術(shù)的快速發(fā)展,對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間無線互連的速度和質(zhì)量提出了更高的需求。作為微波技術(shù)的重要補充,自由空間光通信(FSOC)技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)成為搭建視距超高速鏈路的重要選項,在骨干網(wǎng)中繼、基站互連、高層建筑間通信、空地/星地/星間通信、戰(zhàn)場通信和應(yīng)急通信等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用,也將成為未來異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分。然而,大氣信道中的湍流效應(yīng)會使FSOC鏈路中作為載波的激光束發(fā)生波前畸變,引起接收端的光束漂移、橫向彌散、光強起伏等現(xiàn)象,導致接收光信號質(zhì)量發(fā)生嚴重劣化。因此,研究分析大氣信道特性、優(yōu)化光收發(fā)機設(shè)計以減弱湍流對光傳輸?shù)挠绊?是提高FSOC系統(tǒng)可靠性的主要手段。經(jīng)過多年發(fā)展,水平大氣湍流信道的建模理論已經(jīng)比較成熟,基于Kolmogorov類功率譜函數(shù)和擴展惠更斯-菲涅耳原理和擴展Rytov理論的水平鏈路閃爍指數(shù)模型成為鏈路性能預(yù)測的強大工具。在充分理解分析信道特性的基礎(chǔ)上,通過高精度光電跟蹤、光束參數(shù)優(yōu)化、空間分集、自適應(yīng)光學和新型部分相干光等技術(shù)的綜合運用,近地面水平光鏈路的性能已經(jīng)達到較高水平,有眾多商用FSOC光終端投入使用。另一方面,傾斜大氣路徑的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)是海拔高度的函數(shù),這增加了使用解析方法計算閃爍指數(shù)的難度,特別是對于有限內(nèi)外尺度和高斯光束傳播的情況,因此相關(guān)研究的進展也比較緩慢。本文從信道建模和新型部分相干光源兩個方向入手,研究討論傾斜大氣鏈路中光束傳輸?shù)钠鸱匦院鸵种拼胧�。大氣信道模型是鏈路性能評價與分析的基礎(chǔ),能夠為光發(fā)射機的光束參量優(yōu)化提供理論指導。針對現(xiàn)有傾斜鏈路閃爍指數(shù)模型只適用于弱起伏信道的問題,本文根據(jù)擴展Rytov理論推導大尺度效應(yīng)和小尺度效應(yīng)在湍流功率譜上截止頻率的積分表達式,得到了適用于所有起伏條件的改進閃爍指數(shù)模型。改進后的模型在上行方向和下行方向具有統(tǒng)一的數(shù)學形式,不僅可以用于計算大天頂角鏈路的閃爍指數(shù),還包含內(nèi)外尺度和接收機孔徑等參數(shù),可以同時研究多種因素對光強起伏的影響。利用這一模型對傾斜鏈路的閃爍特性進行了大量分析,比較了內(nèi)外尺度效應(yīng)、光源尺寸、接收孔徑平均、高空風速、光源空間相干性等系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)對上行鏈路和下行鏈路的不同影響。根據(jù)所得到的計算結(jié)果,結(jié)合湍流起伏能量守恒的假設(shè),對工程領(lǐng)域關(guān)心的星地鏈路不對稱性給出了定性解釋,指出湍流層的分布特征與光束的衍射展寬是導致這一差異的主要原因。以高斯謝爾模(GSM)光束為代表的部分相干光(PCB)通過犧牲一定的方向性換取接收端閃爍指數(shù)的降低,在空間光通信中具有重要應(yīng)用價值。然而高空飛行器與地面站之間的鏈路難以通過部分相干光改善接收質(zhì)量,因此本文重點研究部分相干光在中低空鏈路中的應(yīng)用,并提出通過均勻相關(guān)相位屏空間調(diào)制方法生成具有凸形相干度分布的徑向部分相干光(CPCB)。實驗結(jié)果表明,CPCB的最大特點是在傳輸過程中會發(fā)生一次至多次自聚焦,在增強接收孔徑內(nèi)光能密度的同時還能強化孔徑平均效應(yīng),使閃爍指數(shù)進一步降低。利用波動光學仿真方法優(yōu)化相干度調(diào)控參數(shù)后,CPCB在軸上接收孔徑內(nèi)的信噪比相比常規(guī)的GSM光束可提升1到2 dB,而對于存在收發(fā)機對準誤差的軸外接收情況,CPCB更是能夠提供多達5到6 dB的信噪比增益,而且這是在不增加硬件成本的情況下實現(xiàn)的。對于PCB相關(guān)應(yīng)用重要的光探測器相對積分時間問題,本文也結(jié)合CPCB的湍流傳輸做了分析,得出的結(jié)論是,相對積分時間不足對CPCB的影響沒有GSM明顯,因此在空間調(diào)制器件開關(guān)速度不足的情況下,CPCB是更為優(yōu)化的光源選擇。本論文構(gòu)建了傾斜大氣星地/空地光束傳輸問題的完整物理圖景,相關(guān)原創(chuàng)性研究內(nèi)容是對現(xiàn)有湍流光通信理論和光場調(diào)控技術(shù)的補充和發(fā)展,兼具原理的可靠性和實現(xiàn)的可行性,對下一代空間光通信系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化有借鑒價值和參考意義。
【圖文】：

1 緒論和意義世紀以來，以移動互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)和基于先感器技術(shù)不斷產(chǎn)生突破，給人們的生活帶來了巨大的領(lǐng)域的科技進步。與此同時，信息量的爆炸性增長對來的壓力也日益增大，2017年全球IP流量已達1.5 ZB (在接下來的五年中增長兩倍[1]。為了應(yīng)對高速高質(zhì)量數(shù)已逐漸完成電纜向光纖的升級，憑借相干光信號的巨提升。在需要無線互連的場合，微波通信長期以來占資源和性價比等因素已經(jīng)讓微波設(shè)備在一些特殊應(yīng)用

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文域具有重要價值。FSOC 的上述技術(shù)特點使其能夠成為微波技術(shù)的有力即將在以下領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用[3]： 臨時鏈路搭建。FSOC 光收發(fā)機的體積小重量輕，無需考慮布線因素求低，因此調(diào)試、部署、拆除都非常靈活。此外，作為物理層設(shè)備的 議透明，可以在任意協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間實現(xiàn)無縫橋接。 高層建筑互連。城市的高層建筑間常常需要寬帶互連互通，架設(shè)微波，還會破壞大樓整體外觀，而且可能引起健康方面的擔憂，，而一條光代數(shù)條微波鏈路，還可以部署在玻璃幕墻內(nèi)部，對非視線的遮擋也不敏
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.1

【參考文獻】

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本文編號：2641575