大气湍流信道中的广义索引调制非对称限幅光OFDM

索引调制光OFDM虽可实现高频谱效率,但其误码性能还不够理想。为此,本文结合非对称限幅光OFDM技术,通过每组激活数目不等的子载波,提出了一种广义索引调制非对称限幅光OFDM(Asymmetrically Clipped Optical OFDM with Generalized Index Modulation,ACO-OFDM-GIM)方案。每个子载波块中选择激活数目不唯一的子载波,同时引入子载波分配算法进一步提升了系统的误码性能。文中详细介绍了ACO-OFDM-GIM调制映射原理,推导了其在湍流信道下的理论误码率,并采用仿真实验进一步验证了其性能。结果表明,与ACO-OFDM、ACO-OFDM-IM等系统对比,ACO-OFDM-GIM系统的传输速率和误码性能都有明显改善。在频谱效率相同的情况下,ACO-OFDM-GIM系统在大信噪比时能够获得比ACO-OFDM和ACO-OFDM-IM系统更好的误码性能。当误码率为1×10-4时,强湍流条件下(4,[1,2])ACO-OFDM-GIM系统的信噪比相对于(4,2)ACO-OFDM-IM和ACO-OFDM系统分别改善了约2.5 dB和4.5 dB。ACO-OFDM-GIM方案为未来大气激光通信传输速率的提高提供了一种有效手段。     

适合于大气激光通信的双空间调制

相对于传统的光空间调制,光广义空间调制在传输速率和频谱效率上虽然有了较大的提升,但其误码性能不够理想。本文利用脉冲位置调制(PPM)和脉冲幅度调制(PAM),通过每次同时激活两个激光器而提出了一种双空间调制(DSM)。采用联合界技术推导出了DSM的误码率理论上界,分析了其频谱效率、传输速率和复杂度的影响因素,并与已有光空间调制的性能进行了对比。仿真结果表明:DSM不仅提升了系统的频谱效率和传输速率,而且有效地改善了系统的误码性能。在相同的传输速率下,当误码率为1×10-3时,相对于(4,4)-8PPM SPPM和(3,4)-4PPM GSPPM方案,(3,4)-8PPM-2PAM DSM的信噪比分别改善了约2.5 dB和6 dB,频谱效率分别提高了2.335 bits/(s·Hz)和0.375 bits/(s·Hz)。DSM方案为未来大气激光通信传输速率的提高提供了一种有效手段。     

单次散射近似研究非视线光传输中的误差

基于蒙特卡罗(Monte Carlo)方法建立了非视线光传输多次散射模型,引入大气光传输系统脉冲响应峰值大小,定量计算了单次散射近似研究非视线光传输时的误差大小。结果表明:大气吸收系数k_a对误差影响较小,误差随大气散射系数k_s和非视线传输光程S的增大而增大;当P值(k_s×S)＞3时,由于多次散射作用明显,误差＞80%;当P＜3时,误差随P值减小而减小,P＜0.3时,误差＜10%,此时单次散射近似可用来研究散射大气中非视线光传输问题。     

基于大气光通信偏振PPM的误码率研究

大气光通信误码特性的研究是激光通信系统开发和应用中的关键问题。为了减小在大气光通信PPM调制过程中引起的误码率,提出了一种基于空间光偏振的PPM调制方式。在该调制方式中,信道噪声和探测器噪声是影响误码率的主要因素。利用信道噪声和探测器噪声的特点,本文讨论了探测门限判决和信道偏振角度解调对自由空间光通信系统性能的影响,建立了系统误码率的数学模型,并进行数值仿真。仿真结果表明,当信噪比为0～20 dB时,探测门限判决引起的系统误码率随着信噪比的增大由10°下降到10~(-7),门限阈值为1/2时误码率最低;当探测器噪声功率为10～-20 dBm时,偏振角度解调引起的系统误码率随着探测器噪声功率的降低而降低;在相同噪声功率下,偏振角0°时误码率最高,偏振角90°时误码率最低。     

湍流信道下光空间调制信号的压缩感知检测

在光空间调制系统中采用最大似然检测算法可以获得最优的误码性能,但算法的译码复杂度限制了其实际应用。本文依据光空间调制激光器映射向量,并结合脉冲位置调制方式下的脉冲向量构建了具有稀疏特性的发送信号。基于该稀疏特性,采用正交匹配追踪算法提出了一种基于压缩感知理论的光空间调制信号检测方法。仿真结果表明:该方法以少量误码性能损失为代价极大地降低了信号检测的复杂度。当激光器数目为64时,相比于最大似然检测算法,本文所提方法的复杂度降低了99.54%。同时,由于稀疏性的引入,该方法更适合于具有大规模激光器的无线光通信系统。     

用于汽车尾气监测的新型气体浓度传感器系统

针对汽车尾气新的排放标准和检定方法的实施,设计了用于汽车尾气监测的热电堆传感器系统。采用导电不定型碳多层镀膜技术的电调制红外光源,使其调制频率最高可以达到100 Hz.对传统气室结构进行了优化设计,使气室与外支撑分离,降低了外界环境的影响。实现了当红外光照射到吸收窗时,在输出引脚上产生与入射光功率成正比的输出信号电压,-3 dB衰减频率大约为10 Hz.实验结果表明：该气体浓度传感器系统满足汽车尾气中CO、CO2、HC监测的要求。     

湍流环境中光纤耦合效率的提高

在空间激光通信应用中,空间光与单模光纤的耦合效率是影响通信系统性能的重要因素。考虑大气湍流会降低激光与光纤的耦合效率,本文从湍流强度与光学系统分辨率之间的关系出发,研究了大气湍流对光纤耦合效率的影响,导出了接收口径、系统焦距、入射光波长、接收光纤半径、大气相干长度等与单模光纤耦合效率之间的关系。提出了两种在湍流环境中提高光纤耦合效率的方法。方法一是在外界湍流强度发生变化时,通过改变耦合系统焦距,使耦合效率保持在较高值;方法二则是采用锥状光纤接收来提高耦合效率。最后对提出的方法进行了分析、仿真和室外耦合效率测试,验证了所提出的改善耦合效率方法的有效性。     

自适应光学技术在通信波段对大气湍流的校正

针对大气湍流引起的激光光强、相位和传输方向的随机变化对大气激光通信质量的影响,开展了用自适应光学(AO)技术校正大气湍流影响的研究。定量分析了自适应光学技术在通信波段校正大气湍流的效果。利用中国科学院光电技术研究所研制的安装在云南丽江高美谷观测站的1.8m望远镜和127单元AO系统,在1 550nm通信波段对不同高度角的恒星进行了大气湍流校正实验。通过采集校正后的恒星图像,分析了校正后的斯特勒尔比,同时记录下当时的大气相干长度,由此得到了在不同大气湍流条件下的校正效果。实验表明,当大气湍流强度D/r0(1 550nm)小于6.5时,校正后的波面RMS值可以小于1rad,即在中弱大气湍流条件下,该AO系统可以有效地对大气湍流进行校正。     

应用独立分量分析的激光测风雷达湍流频谱分解

针对大型风力发电机机组中常见的脉动湍流、风机尾流与涡流等湍流信号,研究了利用自然梯度下降的独立分量分析方法的湍流频谱分离效果,以区分中心风速与湍流信号,提高风机机组的综合工作效率。首先分析了风机组中常见湍流信号的后向散射与频谱分布特点,然后依据这些特点设计了对应的独立分量分析模型。在仿真结果符合要求的基础上,进行了双目激光雷达天线的风速采集与实际分离效果检测。实验结果表明,在大气折射率结构常数C2n≤10-14同时广义大气常数α≥4的通常情况下,利用双目信号能够分离出一个湍流中心和一个中心风速。对1 s内两个谱峰的波动范围进行统计,获得(2.59±0.05)MHz的中心风速以及(1.22±0.19)MHz的湍流中心估计,且二者的平均信噪比分别为25.93 dB和31.01 dB,能够在获得稳定的中心风速估计的同时得到一个较为稳定的湍流中心估计。     

S0951型滚动轴承振动测量仪的改进

改进后的S0951型滚动轴承振动测量仪,机械传动及加载系统更趋合理,电子测量系统的功能提高,噪声由原来的等于小于6dB降低到0dB,测振频率由原来的50Hz～10kHZ一档增加到10Hz～1kHZ、50Hz～10kHz两档,提高了测量精度和测试效率,实现了整机半自动化。附图9幅,表1个,参考文献3篇。     

校正水平湍流波面的自适应光学系统的带宽需求

设计和搭建用于湍流校正的自适应光学系统时,必须考虑大气湍流波面校正所需的系统带宽。由于通常理论估计与实际的湍流情况相差很大,本文对如何进行带宽的精确测量进行了研究。通过对500 m水平距离湍流波面的大量统计,分析了湍流波面的时间功率谱密度,得出了所需要带宽(Greenwood频率)的大小,并且首次得到了带宽需求的昼夜变化规律。实验发现,所需带宽在晚上变化缓慢,围绕10～15 Hz波动;白天变化剧烈,在20～90 Hz波动。最后,通过实验确定出了功率谱密度估计所需的采样总时间为70 s,得到的实验结果为设计和搭建更加合理的自适应光学系统提供了实验依据。     

强湍流下并行中继自由空间光通信的中断分析

在大气强湍流条件下,对并行中继自由空间光通信系统的中断概率进行了研究.考虑大气衰减、大气湍流和指向误差对自由空间光通信系统传输性能的影响,建立了自由空间光通信系统的复合信道模型.基于此信道模型,推导了并行中继自由空间光通信系统端到端中断概率的解析表达式.最后,通过计算机仿真分析了发送功率、指向误差及通信距离对通信系统中断概率的影响.仿真结果表明,并行中继传输技术可以有效提高自由空间光通信系统的中断性能.此外,所推导中断概率的解析表达式可准确地评估并行中继自由空间光通信系统的传输性能,为未来自由空间光通信系统的设计提供理论依据.     

空间光混频器分光性能的分析与优化

为了进一步提高零差相干光通信系统的接收灵敏度,对空间光混频器的信号光分光比进行了优化。根据零差相干通信系统数学模型,推导了信号光分光比和环路相位误差、通信误码率的数学表达式,经过计算分析可知当光混频器Q支路的信号光满足锁相环要求时,可通过提高I支路信号光分光比来降低误码率和提高接收灵敏度。在分光比优化后光混频效率提高了53.5%,通信探测灵敏度提高了3dB。利用VPI软件进行建模仿真,得到不同分光比下系统的眼图和相位噪声功率。仿真结果显示,探测灵敏度提高了2.83dB。最后,搭建了零差相干光通信桌面实验系统,研究了空间光混频器分光比和系统误码率、锁相环工作的影响规律,当分光比由0.5减小至0.2时,系统误码率由3.53×10~(-9)下降至4.25×10~(-10),当分光比为0.1时,锁相环失锁,误码率为1。实验结果基本符合理论和仿真结果,所得分光比的影响规律和优化结果将为空间零差相干通信系统的研制提供技术参考。     

1200mm望远镜开环液晶自适应光学系统设计

为验证液晶自适应光学成像技术校正大气湍流所引起的波前像差的有效性,提高光学系统的能量利用率,应用Ze-max软件设计出了与1200mm望远镜匹配的开环液晶自适应光学系统。针对开环自适应光学系统探测光路和校正光路自身的特殊要求,制定了具体的公差原则,并应用Zemax软件进行了公差分析。分析表明,设计的自适应光学系统具备较宽松的公差条件,容易加工和装调。评价了该光学系统的成像性能,结果表明,设计的自适应光学系统的MTF曲线接近衍射极限,光学传递函数的模在50lp/mm时可达到0.4,而成像CCD的极限分辨率为31lp/mm,充分地利用了CCD相机的分辨资源。该自适应光学系统与1200mm望远镜对接匹配后的组合焦距为19.9m,F数为16,PV值为0.0314λ。     

桌面97单元自适应光学系统性能测试

构建了一套桌面自适应光学系统性能测试系统,用以验证97单元自适应光学系统的校正能力。该测试系统主要由光源、快速控制反射镜、变形镜、Shack-Hartmann波前传感器、高速波前处理器、扰动相位屏等部件组成,分别利用干涉仪和Shack-Hartmann波前传感器的数据控制变形镜进行光路的展平校正,得到了系统的静态校正精度。然后,测试了精密跟踪系统的校正能力。最后,利用扰动相位屏模拟不同的大气扰动条件,以成像相机图像的斯特列尔比(SR)为指标,在不同目标亮度下测试了自适应光学系统的动态校正能力。测试结果显示:该97单元自适应光学系统的静态波像差校正精度的RMS接近λ/20;两种控制模式下精密跟踪系统的误差抑制带宽分别达到了15 Hz和39 Hz;系统在强湍流情况下,动态校正后的成像分辨率基本优于3倍衍射极限。由此表明,97单元自适应光学系统能够有效地校正像差,提高成像分辨率。     

Principles of designing adaptive relay systems for stratospheric power transmission

Problems of designing laser power transmission systems in a turbulent atmosphere using relay mirrors mounted on a stratospheric airship are analyzed. It is shown that such a system can be designed using a high-power ground-based ytterbium fiber laser, relay mirrors for transmitting highpower laser radiation, and an adaptive optical system for correcting the phase distortions of laser beams due to atmospheric turbulence. A model of a laser power transmission system was designed and tested under laboratory conditions; the tests confirmed the possibility of correcting atmospheric-turbulence distortions during guiding and high-accuracy stabilization of laser beams.     

LiNbO3外调制器的10 Gbit/s光纤传输系统

建立了一个10 Gbit/s光纤传输系统平台,实现了10 G光信号无中继、无误码传输,系统采用了NRZ码、高性能的GaInAsP 多量子阱DFB激光器、LiNbO₃电光调制器。进行了系统的传输实验,得到了系统的各项指标参数,分析了影响系统传输质量的因素,研究了传输系统中的一些关键问题。无中继距离为84 km,采用了CWDM技术对信号进行复用。在误码率为10^-12时,接收机的最小接收光功率可达到-26.76 dBm。系统的功率代价为0.49 dB,没有出现误码率平台。实验还对发送光信号的消光比与接收机灵敏度之间的关系进行了研究,连续观察24 h无误码。     

多级平行轴齿轮传动系统方案设计平台

在汽车、航空、船舶等动力传动系统设计中,多级平行轴齿轮传动方案应用广泛,其设计处于整个传动系统研发周期的最前端,更是决定传动系统性能的关键环节。因此,开发智能化的多级平行轴齿轮传动方案设计软件对于缩短设计周期、提高设计质量等都具有重要的意义。在C#.Net 2005环境下,使用MindFusion程序组件,调用Matlab和Pro/E程序,开发集方案图绘制、参数计算、三维输出于一体的多级平行轴齿轮传动方案设计平台。该设计平台数据计算高效、界面友好,是传动方案设计的有力工具。     

超宽带脉冲信号的波形设计研究

UWB无线通信脉冲发射波形的优化设计不仅能够大大提高UWB系统的位误码率（BER）性能,而且还可以优化UWB无线系统的设计、提高功率效率、降低干扰并使得UWB无线通信系统与其它传统的通信系统能够更好地共存。脉冲波形设计在UWB系统中具有重要作用与意义。文章根据超宽带系统的特点与需求,提出了成形脉冲设计的具体要求和相关的评价指标。并介绍了UWB成形脉冲中几种典型超宽带成形脉冲。主要介绍了：高斯脉冲及其各阶导数脉冲、Hermite正交脉冲以及扁长椭球波函数（PSWF）正交脉冲等的实现原理和特点,最后介绍了脉冲波形设计过程中需要注意的一些影响因素。