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无线激光通信系统中大气传输特性研究

作　者: 马冬冬
导　师: 柯熙政
学　校: 西安理工大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 大气激光通信 Mie散射 偏振光 脉冲
分类号: TN929.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 61次
引　用: 1次
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内容摘要


激光在大气中传输,会受到大气中各种因素如雾、雨、大气散射与吸收的影响,使信号能量衰减,能否将大气激光通信推广应用的关键在于大气激光通信系统能否克服气候因素的影响,实现全天候通信。因此,对激光大气传输特性的研究具有十分重要的意义。本文首先介绍了光在大气中传输的基本理论和经典的球形粒子散射理论。在此基础上计算了单球粒子对光的散射；对于群体粒子中光的衰减,主要采用单次散射近似公式,鉴于我们在通信中主要考虑的是前向散射,结合Adarsh Deepak和O.H.Vanghan提出的前向散射修正系数,得出前向散射修正后的新的衰减公式。另外,对于偏振光的传播采用基于Stokes-Mueller关系的单次散射模型为基础的Monte Carlo方法,得到了单球粒子以及大气传输散射光的退偏。最后,对于脉冲信号的大气传输,通过求解双频相干函数得到脉冲的展宽和延时。主要的研究工作如下：1.编写了单球粒子散射光强分布程序,可以仿真有效粒子半径内不同波长的激光对雨、雾、沙等单个球形粒子的散射光强分布以及散射、吸收和衰减效率因子。2.推导了前向散射修正公式,分别针对不同波长的激光,仿真雨、雾、沙天气下单次散射及前向散射修正的衰减曲线。3.计算了单球粒子对偏振光散射的偏振角分布图,在此基础上并利用MC方法对雾、沙的退偏做了仿真。4.求解了表征光波在随机介质中传播的双频相干函数,并仿真不同脉宽的高斯和矩形脉冲经过不同能见度雾介质后的展宽和延时。本课题的研究结果表明天气条件对激光传输的影响很大,为了提高通信的可靠性就得掌握一定的激光大气传输知识,研究结果对激光器和探测器的选择以及光学系统的搭建有重要的指导作用,另外对研究大气中的粒子对光散射也具有实际的参考价值。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-14
  1.1 课题背景及意义  8-10
  1.2 大气光散射的国内外研究现状  10-12
  1.3 论文的结构安排  12-14
2 光波的散射理论  14-32
  2.1 RAYLEIGH散射  14-15
  2.2 MIE散射理论及参数  15-21
    2.2.1 MIE散射概述  15-16
    2.2.2 MIE散射基本公式  16-19
    2.2.3 MIE散射算法的讨论  19-20
    2.2.4 MIE散射新算法  20-21
  2.3 偏振光的散射  21-26
    2.3.1 光波的偏振态  21
    2.3.2 偏振光与Stokes矢量  21-23
    2.3.3 任意粒子光散射的Stokes-Mueller-方程  23-26
  2.4 光的散射、吸收和消光系数  26
  2.5 光波在随机介质中的散射  26-30
    2.5.1 Bougure定律  26-27
    2.5.2 单次散射近似  27-28
    2.5.3 光的多次散射  28-30
  2.6 本章小结  30-32
3 雨、雾、沙粒子的散射  32-54
  3.1 雨、雾、沙的物理特性  32-39
    3.1.1 雨的物理特性及尺寸分布  32-36
    3.1.2 雾的物理特性  36-38
    3.1.3 沙尘暴的物理特性  38-39
  3.2 单个粒子的散射  39-45
    3.2.1 散射光强与粒子尺度  39-44
    3.2.2 消光效率与粒子尺度  44-45
  3.3 群体粒子的散射  45-51
    3.3.1 单次散射近似计算  45
    3.3.2 前向散射的修正  45-50
    3.3.3 多次散射  50-51
  3.4 本章小结  51-54
4 偏振光在散射介质中的传播  54-68
  4.1 偏振光的散射模型  54-58
    4.1.1 偏振激光的单次散射模型  54-55
    4.1.2 多次散射的蒙特卡罗模拟  55-58
  4.2 散射后偏振态计算  58-59
  4.3 仿真与计算  59-66
    4.3.1 单球粒子对激光的退偏  59-62
    4.3.2 群体粒子的退偏  62-66
  4.4 本章小结  66-68
5 脉冲波的传播  68-82
  5.1 脉冲波传播的统计参数  68-70
    5.1.1 相干场与非相干场  68-69
    5.1.2 相干带宽和相干时间  69-70
  5.2 脉冲传播的理论  70-73
    5.2.1 脉冲辐射的传播  70-72
    5.2.2 随机介质中脉冲传播和散射的普遍公式  72-73
  5.3 双频相关函数的求解  73-76
  5.4 脉冲的分类与仿真  76-80
    5.4.1 脉冲函数的形式  77-78
    5.4.2 脉冲展宽和时延  78-80
  5.5 本章小结  80-82
6 结论与展望  82-84
  6.1 全文总结  82
  6.2 存在问题及今后努力方向  82-84
致谢  84-86
参考文献  86-90
硕士期间发表的论文  90

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信 > 光波通信、激光通信
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