尾流气泡对脉冲激光时间展宽的研究

为了研究气泡对激光的时间展宽问题,采用米氏光散射理论,对气泡的光散射特性以及多次散射效应进行了理论分析,并开展了实验研究,得到了气泡在不同距离时后向光散射信号波形。结果表明,气泡对激光脉冲的传输有明显的影响,导致了脉冲激光在时间上的展宽,信号展宽的宽度随距离近似呈二次曲线变化。     

蒙特卡洛法仿真激光在水下信道中的传输特性

针对海洋港湾海水强吸收和高散射的特性,文章利用蒙特卡洛方法仿真研究了激光在浑浊港湾海水中的传输特性。文章在一定的光波长、光能量和发散角下,量化分析了水质参数和传输距离对激光的功率、脉冲响应以及光斑质量的影响。研究结果表明,激光在浑浊港湾海水中传输时,随着衰减长度的增加,光功率的衰减特性保持一致,且光功率的衰减速度不符合比尔定律所描述的线性关系。在相同的水质条件下,光脉冲的宽度和光斑的尺寸随着传输距离的增加而增大,但是当传输距离从20个衰减长度传输至30个衰减长度时,光脉冲宽度基本不变,光脉冲展宽量的变化小于1 ns,此时光斑尺寸持续增大。另外,在相同的衰减长度处,光脉冲和光斑的展宽量随着水质衰减系数的增大而减小。     

气海动态跨介质海面蓝绿激光下行传输链路上的散射特性（特邀）

实现空天地海立体化光信息传输的技术瓶颈就是需要解决气海-海气跨介质动态海面条件下激光上下行传输问题。文中主要利用海水环境下蓝绿激光作为载波,提出了蓝绿激光通过气海动态跨介质海面的下行传输数值研究方法。详细讨论了近海面大气海雾、海面风速和海水中的粒子分布对蓝绿激光下行传输散射特性的影响。数值计算了不同风速下蓝绿激光透过率随透射角的变化以及不同近海面大气海雾能见度、不同叶绿素浓度、不同气泡浓度等条件下蓝绿激光下行传输的透过率。结果表明:蓝绿激光在海水中传输时,气泡对激光衰减的影响随着风速的增加而增加,随着传输深度的增加而减小;随着近海面大气中海雾能见度的增大,蓝绿激光通过大气海面和海水的透过率逐渐增大,随着传输距离的增加,叶绿素的影响逐渐增大,蓝绿激光的透过率减小。文中工作对气海-海气蓝绿激光跨介质上下行无线光传输和通信提供理论和技术支撑。     

混沌脉冲激光雷达水下目标探测

海水对光波的吸收和散射,严重制约了激光雷达水下目标探测的性能。通过对激光在海水传输过程中产生后向散射的定量分析,说明了激光回波信号被海水后向散射影响的严重性。分析比较了距离选通技术和强度调制技术抑制海水后向散射的能力,提出了使用自身具有高频强度调制特性的混沌脉冲激光进行水下目标探测,设计了基于相关法测距的混沌脉冲激光雷达水下目标探测方案。通过对后向散射光以及带有不同后向散射强度的回波信号光的时域和频域特性的研究,使用互相关噪声水平算法判定混沌脉冲激光雷达抑制海水后向散射的能力。理论仿真分析表明,当后向散射光强度是混沌脉冲激光强度36倍时,仍能提取出目标信号。     

海水中蓝绿激光传输特性研究

采用蒙特卡罗方法模拟光子在海水中的传输,建立了激光水下传输的蒙特卡罗模型,通过仿真得出了光信号经过Ⅰ类海水信道后的时间(延迟)特性及光场空间分布,并分析了散射和吸收系数对信号传输的影响。仿真结果表明:时间延迟与传输深度呈现线性特征;光学厚度τ=D×(us+ua)是最本质的影响光传输的参数。     

海水介质中激光前向散射的空间时间特性分析

针对海水介质及海水中的悬浮颗粒对激光的传输有强烈的吸收和散射作用,严重影响了激光雷达系统的应用范围这一问题,对海水光信道(前向散射)的时域、空域特性做了理论分析和计算机模拟,得出了在接受范围内,有用信号与噪声在时域、空域上的一系列特性差异,为减弱前向散射的漫射分量、提高系统的分辨率和信噪比的研究提供了理论依据和实验验证。     

基于微气泡散射的水下无线光通信复合信道建模

海浪、船舶尾流以及海洋生物游动与呼吸等原因会导致海水中存在大量的气泡,气泡群带来的散射效应对光信号的水下传输具有重要影响,但典型的水下无线光通信信道模型一般不考虑气泡群带来的负面效应。为了进一步完善传统的水下无线光通信信道模型,本文利用Mie散射理论分析海水中的微气泡及微气泡群光散射特性,基于蒙特卡洛法建立包含气泡散射的复合海水信道模型,分析不同海水水质、气泡密度、链路距离等参数条件下接收端的光学特性和信号特性。结果表明:当链路距离为5m时,随着气泡密度的增大,接收端光斑的弥散程度加剧,其面积可增至初始大小的3～5倍,中心能量也显著降低,最多可降至最大值的05;当链路距离为10～40m时,气泡群的存在以及链路距离的增长会导致接收端第一次接收到光子的时间延长约10～200ns,且使脉冲展宽值增大;当链路距离为2～10m时,气泡群密度的增大最多可使归一化接收功率降低至初始值的0004,但随着水质的恶化,其他粒子含量提高,气泡群对接收功率的影响逐渐减小。该研究可以为水下无线光通信系统的设计和理论分析提供参考。     

激光光束在海水中的空间传输特性分析

由于激光的初始发散角以及海水对光的散射作用,激光在水下传输时光斑大小发生改变,从而影响接收机的接收范围。采用波长为514 nm的蓝绿激光,基于水下无线光通信信道模型,模拟光子在海水中的传输过程,通过统计不同传输距离时的光子数和光子位置,建立了海水信道中的光斑扩展模型,分析了海水水质对高斯光束的光斑空间特性的影响。结果表明:高斯光束在海水信道中传输时,根据光强比值定义光斑大小的位置,1/e光斑半径与传输距离呈线性关系,线性增加系数为光源的发散半角;当接收机灵敏度为确定值时,传输较短距离后光斑逐渐减小;光斑大小由接收机灵敏度决定,随着接收机灵敏度的增加,在相同距离下,接收到的光斑大小基本呈线性增加。     

1.064 μm脉冲激光在雾中传输的蒙特卡洛模拟

在大气无线光通信中,大气中的雾滴会导致激光信号严重衰减,从而使得脉冲信号的时间展宽和能量衰减。应用蒙特卡洛多次散射模型对1.064μm激光脉冲在雾中的传输特性进行了数值模拟。在模拟中,基于米氏散射理论,计算出了光在不同雾能见度下的散射相函数值,并通过随机抽样方法得到了随机数与散射角的对应关系。与采用H-G相函数近似表示粒子对光的米氏散射特性的方法相比,这种方法更精确。在此基础上,模拟了不同雾环境和接收视场角下激光信号的脉冲响应特性。     

一种激光脉冲水下传输时域展宽模拟计算方法

激光脉冲是目前水下无线光通信信号的主要形式,针对水下传输时由多重光散射引起的激光脉冲时域波形展宽问题,采用简单的小角度近似方法进行分析.将经典电子散射理论应用于光子散射研究,从L. B.Stotts模型出发,通过选择合适的水体散射相函数,推导出激光脉冲波形表达式,模拟计算在一定水质条件下脉冲传输不同距离后的脉宽.模拟结果与实验测量数据吻合,并且在较长距离时的精度优于传统模拟方法,验证了该方法的有效性,为解决水下较长距离时激光通信码间串扰问题提供依据.     

光束发射参数对蓝绿激光海洋传输特性的影响

蓝绿激光位于海水低损耗窗口区,由于水体吸收和散射,光束在水下传输将发生时空扩展和波形畸变。基于蒙特卡罗仿真分析 了蓝绿激光海洋传输特性,特别是激光发射参数对接收光场分布的影响。提出通过调节发射端的光束发射参数,对发射光束进行 预聚焦,可在一定程度上抵消水体传输引起的光束扩散影响。分析和仿真结果表明,IB水体中,当预聚焦角度与水体小角度散射 特征值相当时,可在设计汇聚距离前形成一段光束扩散缓慢的平坦传输区域;当预聚焦角度大于小角度散射特征值的2倍时, 可在设计聚焦距离附近形成汇聚效果;预聚焦角度越大,汇聚效果越明显;水体变差时,相应有效汇聚距离变短。研究成果 为调控蓝绿激光信号在海水的传输特性提供了一种新的思路。     

激光脉冲水下传输时域展宽的蒙特卡罗模拟

建立蒙特卡罗模型模拟光子的水下传输,研究了激光脉冲水下传输后时间扩展特性,分析了传输距离、光接收面尺寸等系统参数以及海水介质不对称因子、海水有效衰减系数等水质条件对脉冲时间扩展特性的影响,模拟结果表明:传输距离越大,激光脉冲的时间宽度越宽;光接收面积越大,脉冲时间扩展越严重;海水的前向散射性越强,脉冲的时间宽度越窄;海...     

基于圆弧拟合算法的海水激光通信信道研究

针对海水激光通信信道复杂多变的问题,利用蒙特卡洛法模拟了蓝绿激光在海水信道中的传输过程,得到了不同传输距离下接收功率的统计图。分别利用高斯函数和圆弧拟合算法对此统计结果进行了拟合,并计算出了激光在不同传输距离的高斯拟合误差和圆弧拟合误差,得出圆弧拟合算法拟合误差小于高斯函数拟合。在圆弧拟合算法的基础上建立了水下无线光通信信道模型,根据该传输模型可快速得到在一定海水水质参数下,海水中激光传输距离、任意接收位置和接收光功率之间的关系,为水下无线光通信系统的设计提供了参考价值。     

Experimental demonstration of uncompressed 4K video transmission over directly modulated distributed feedback laser-based terahertz wireless link

We demonstrate the transmission of uncompressed 4K videos over the photonics-based terahertz (THz) wireless link using a directly modulated distributed feedback laser diode (DFB-LD). For optical heterodyne mixing and data modulation, a DFB-LD was employed and directly modulated with a 5.94-Gb/s non-return-to-zero signal, which is related to a 6G-serial digital interface standard to support ultra-high-definition video resolution. We derived the optimal frequency of the THz carrier by varying the wavelength difference between DFB-LD output and Tunable LD output in the THz signal transmitter to obtain the best transmission performances of the uncompressed 4K video signals. Furthermore, we exploited the negative laser-to-filter detuning for the adiabatic chirp management of the DFB-LD by the intentional discrepancy between the center wavelength of the optical band-pass filter and the output wavelength of the DFB-LD. With the help of the abovementioned methods, we successfully transmitted uncompressed 4K video signals over the 2.3-m wireless transmission distance without black frames induced by time synchronization error.     

基于以太网语音和IP数据无线光通信链路设计

针对移动应用平台间进行较短距离的直接通信,设计了一种基于以太网和无线激光传输的通信链路系统。该系统使用直接调制的方式将以太网发出的电信号调制到光波上,将携带信息的载波激光束聚焦、对准发送至接收设备;接收设备将采集到的信号进行解调,由光信号还原出发送方输出的电信号,经以太网传输至接收端,实现信号的双向传递;该系统可实时、大容量、高速地传输语音、数据、视频和图像等信号,且通信质量稳定可靠,保密性和安全性能优良。测试结果表明,该系统能较好地在大气间进行实时高速地数据通信,满足移动应用平台间的保密需要。     

水下复合信道对GMSK无线光通信系统性能的影响

The absorption and scattering of light in seawater channel cause signal attenuation, and the turbulence of seawater causes signal amplitude fluctuation, both of which will reduce the bit error rate (BER) performance of underwater wireless optical communication (UWOC) system. The effects of the two channel characteristics on the signal performance were considered comprehensively, and a method was proposed to equate the transmission distance and turbulence probability density function to the system signal-to-noise ratio (SNR) and turbulence noise, and then the signal attenuation and turbulence noise were combined into the signal waveform to establish the underwater composite channel signal transmission model. According to the experimental system parameters, the signal transmission waveforms of Gaussian minimum frequency shift keying (GMSK) modulation under composite channel were simulated, and the one-bit difference demodulation algorithm was used to compare the demodulated waveforms with the original waveform, and the influence relationships of composite channel on the system BER performance was analyzed. The simulation experiment results show that, compared with on-off keying modulation (OOK), pulse position modulation (PPM), GMSK system can obtain the SNR gain of 3.3 dB, 4.8 dB respectively only in the attenuation channel with seawater attenuation coefficient of 0.151 m?1. Under the composite channel, GMSK modulation performance is superior to OOK modulation and PPM modulation. When the water attenuation coefficient is 0.151 m?1, and turbulence intensity variance is smaller than 0.16, GMSK modulation system has no error rate limit, the system BER is decided by signal attenuation and turbulence noise and Gaussian noise together, GMSK modulation achieves SNR gain of 4.35 dB compared with PPM modulation. Furthermore, turbulence intensity variance is greater than 0.16, system BER arrives limit, which value is determined by the turbulence intensity, and the limit value of BER increases nonlinearly with the increase of turbulence intensity.     

主动探测回波激光脉冲时域特性

利用猫眼效应原理实施目标主动探测,能够快速、准确发现空间光学侦察设备。激光脉冲辐照不同的反射目标,产生回波经大气传输后具有不同的脉冲展宽,利用该特性可实现对不同目标的识别和定位。利用光子散射理论分析了近地面气溶胶散射效应引起的脉冲展宽,给出了影响脉冲展宽的主要因素,建立了猫眼和漫反射背景回波脉冲展宽的计算物理模型;为验证模型,设计并实施了基于飞艇平台的动态主动探测验证实验,实验结果表明:激光脉冲经过8～10 km斜程大气传输,猫眼和飞艇背景漫反射回波分别展宽了20～30 ns和90 ns,与物理模型计算值具有较好的一致性,验证了物理模型的正确性,该模型可为区分和提取猫眼回波信号提供理论依据。