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大气激光通信系统传输特性的研究

作　者: 刘保菊
导　师: 张长森
学　校: 河南理工大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 大气衰减大气湍流误码率信道损耗光发散角
分类号: TN929.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

大气激光通信技术是一种非常好的通信手段。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。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。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,造成激光能量衰减,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技术推广应用的关键。由于大气激光通信采用的是大气随机信道,因此研究大气随机信道本身的特性对通信系统传输性能的影响非常重要。该文在搜集与查阅大量的相关文献资料、学习大气激光通信的相关原理后,研究了大气随机信道中各种因素对无线激光通信的影响。本文完成的工作是：首先,设计了大气激光通信系统各模块,详细分析了大气衰减及大气湍流效应,这些是影响激光信号传输的主要因素,并在此基础上结合通信理论设计了大气信道模型,然后针对信道模型提出相关的技术方案,如APT系统技术及自适应光学系统技术。本文的创新之一,通过光电检测理论,研究了在大气衰减及大气湍流效应影响下系统误码率,重点研究了00K调制和PPM调制下的系统误码率,并与微粒散射时造成的误码率进行了比较,得出了微粒散射影响的是系统的长期平均误码率而大气湍流则影响的是系统的瞬时误码率,针对这两种情况下误码率,尝试给出了一些建议,希望能对激光调制系统的设计与研究有参考价值。其次,通过对强弱湍流下光强闪烁与波长的关系所建立的模型进行仿真,得出了二者之间的变化关系。信道损耗对激光通信系统的研究具有重要意义,通过建立光束发散角、接受透镜孔径、通信距离和扩展损耗之间的关系模型,结合MATLAB软件,进行了仿真得出了损耗最小时光束发散角和透镜孔径的最佳值,进一步证实了上述研究对光束发散角选取理论分析正确性,这些是本课题的重点研究部分。以上在激光传输特性方面的研究希望能对激光通信系统的设计提供一定的理论价值。

全文目录

中文摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
1 绪论  8-20
  1.1 激光通信概述  8-10
  1.2 大气激光通信的发展史  10
  1.3 大气光通信技术的优点  10-11
  1.4 大气激光通信技术的主要应用  11-14
    1.4.1 民用前景  11-13
    1.4.2 军用前景  13
    1.4.3 组网应用  13-14
  1.5 大气激光通信技术存在的主要技术问题及缺陷  14-15
  1.6 大气激光通信国内外的发展趋势  15-17
  1.7 课题的来源、研究意义及论文结构  17-20
2 大气激光通信系统的设计  20-32
  2.1 引言  20
  2.2 系统模型  20-21
  2.3 光源  21-22
  2.4 发射与接收模块的设计  22-25
    2.4.1 发射天线  22-23
    2.4.2 接收天线  23-24
    2.4.3 光发射机设计  24
    2.4.4 光接收机设计  24-25
  2.5 ATP伺服系统设计  25-28
  2.6 大气激光通信系统中其它问题的考虑  28-30
  2.7 小结  30-32
3 激光信号的大气衰减效应  32-42
  3.1 引言  32
  3.2 吸收效应  32-34
    3.2.1 分子线吸收  33-34
    3.2.2 分子连续吸收  34
  3.3 大气分子散射  34-37
    3.3.1 瑞利散射  35
    3.3.2 米耶散射  35-37
    3.3.3 大气气溶胶的散射  37
  3.4 散射和吸收的共同影响  37-40
    3.4.1 衰减系数的估计  37-38
    3.4.2 大气透射率  38-39
    3.4.3 透射率的估算  39-40
  3.5 热晕效应  40
  3.6 小结  40-42
4 大气湍流对激光信号传输的影响  42-52
  4.1 引言  42-43
  4.2 湍流大气分析  43-46
    4.2.1 大气折射率结构常数  43-44
    4.2.2 折射率起伏功率谱密度  44-46
  4.3 强度起伏(大气闪烁)  46-47
  4.4 光束漂移和像点抖动  47-49
    4.4.1 相位起伏和到达角起伏  48-49
    4.4.2 对大气湍流外尺度的新认识  49
  4.5 信噪比影响  49-50
  4.6 其他因素  50
  4.7 小结  50-52
5 大气激光传输信道模型的建立  52-64
  5.1 引言  52-53
  5.2 光端机的性能参数分析  53
  5.3 背景辐射  53-55
  5.4 大气衰减信道  55-57
  5.5 大气湍流引起的随参信道分析  57-60
  5.6 信道模型的建立  60-63
  5.7 小结  63-64
6 信道对激光通信系统技术影响  64-84
  6.1 引言  64
  6.2 光电检测  64-67
    6.2.1 光电检测理论  64-65
    6.2.2 光电检测统计  65-67
  6.3 大气湍流效应对激光信号的误码率分析  67-72
    6.3.1 OOK和PPM调制理论  68-70
    6.3.2 OOK调制和PPM调制的误码率  70-72
  6.4 大气衰减与大气湍流效应引起的误码率特点的比较  72
  6.5 大气湍流对信道影响的数值分析  72-76
    6.5.1 光强闪烁分析  72-74
    6.5.2 MATLAB仿真结果  74-75
    6.5.3 大气湍流对光束展宽的影响  75-76
    6.5.4 MATLAB仿真结果  76
  6.6 最佳光束发散角的选取  76-79
  6.7 信道损耗研究  79-82
    6.7.1 理论分析  79-80
    6.7.2 MATLAB仿真结果  80-82
  6.8 小结  82-84
结束语  84-86
参考文献  86-90
附录  90-92
致谢  92-93
附件  93-97
作者简介  97

大气激光通信系统传输特性的研究

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