自由空间光通信折射式接收光天线的设计研究

基于自由空间光通信折射式接收光天线的特殊性,提出与设计成像物镜不同的设计理念,重点探讨了用逐 步修改法设计光天线时对初始结构的优选以及像质评价标准的新见解。     

空间光通信中发射天线像差对激光传输的影响

空间光通信中发射天线像差会引起远场轴上光强下降.首先分析了无像差的理想发射天线,假设发射光束为高斯光束,在给定发射功率、天线直径时,天线直径与高斯光束直径的最佳比值为1.12,此时远场轴上光强最大.在此基础上分析了像差对远场轴上光强的影响,通过倾斜及离焦补偿,并减小发射光束直径可降低像差的影响.在最优条件下,1/4波长的球差、彗差及像散引起的远场轴上光强的附加损失分别为0.06 dB,0.13 dB及0.31 dB.最后分析了单透镜的像差特性,对于较大直径的发射天线,像差引起的远场轴上光强下降可达10 dB以上.

Abstract：

Aberration of transmitting antenna will decrease the far-field on-axis intensity in space optical communication systems. Aberration-free antenna system is analyzed. By assuming transmitting beam to be Gaussian distribution, and under given optical power and diameter of transmitting antenna, it is proved that the far-field on-axis intensity reaches its maximum when the ratio of the antenna diameter to the Gaussian beam diameter is 1.12. Compared to this maximum intensity, the far-field on-axis intensity loss induced by aberration of transmitting antenna is analyzed. This loss can be reduced by using tilt or defocus adjustment, and decreasing the diameter of transmitted Gaussian beam can also increasing the far-field on-axis intensity. Under optimal conditions, the losses caused by quarter wavelength spherical aberration, coma and astigmatism are 0.06 dB, 0.13 dB and 0.31 dB respectively. Finally, the aberration characteristics of a single lens are analyzed. The decrease of on-axis intensity caused by aberration can reach 10 dB or more for transmitting antenna with a lager diameter.     

空间相干光通信中本振光功率对信噪比的影响

为研究空间相干光通信的信噪比受本振光功率、探测器特性和光波偏振态的影响,对探测器在不同工作状态下以及光波偏振态变化时的信噪比进行了研究,讨论了在不同工作状态下探测器特性参数和本振光功率对信噪比的影响,并通过实验验证了本振光功率和光波偏振态对信噪比的影响。结果证明空间相干光通信中探测器特性参数限制了本振光功率的取值,实际最大信噪比小于理论值,最佳本振光功率大于理论值,且两光束的偏振方向越接近,输出信噪比越大,最佳本振光功率越小。     

基于异构光波束的可见光通信覆盖特性分析

受限于传统可见光通信(VLC)的研究范式,研究人员在分析可见光无线覆盖时,通常假设光源遵从朗伯空间辐射特性.客观上,上述假设忽视了由不同类型光波束构成的潜在异构光波束,对基于异构光波束的VLC覆盖特性也缺少必要的探索.针对上述问题,综合考虑商用发光二极管(LED)光源的差异化非朗伯光波束特性,文章给出了多种潜在的异构光...     

探讨无线光通信光功率衰减模型的构建

在我国现有的无线光通信系统中,我国的光功率衰减模型一般采用的都是平面波模型,是依据平面波假设下的模型,但是实际的无线光通信系统发射的激光为高斯光束,所以,对于高斯光束下的光功率衰减模型进行建立是当下所面临的实际情况。想要对高斯光束下发射功率计算中积分限进行分析选取,就需要运用理论推导结合仿真的方法,在进行综合考虑精确性和简易性的基础上,对高斯光束的光功率衰减模型进行建立,并根据平面波和高斯光束的光功率衰减模型进行比较的结果,可以进一步的研究平面波的误差。本文就通过对无线光通信光功率的阐述,进一步的探讨了无线光通信光功率衰减模型的构建。     

自由空间光通信中相干OFDM系统性能分析

结合正交频分复用（OFDM）技术和相干探测的优势,研究了相干OFDM自由空间光通信（FSO）系统的误码性能,考虑了OFDM映射方式以及映射阶数对系统误码性能的影响。在Gamma-Gamma大气湍流信道下,分别从平均信噪比和所需平均接受光功率的角度考虑了系统在弱、中和强湍流三种情况下的误码性能。在此基础上,推导了系统误符号率的闭合表达式。仿真结果表明,相干探测下OFDM FSO系统可以较好地克服大气湍流效应,在弱、中湍流情况下,QAM映射方式下系统的误码性能明显优于PSK方式,在强湍流下这种优势不明显,此外随着映射阶数的增加,系统误符号率增加,因此在实际应用中可以通过降低映射阶数来提高系统误码性能。     

无线光通信光功率衰减模型的构建对策研究

当前基于平面波构建的光功率衰减模型是各领域普遍采用的方式。然而此种方式忽略了激光是高斯光束的特质,因此在此基础上构建的模型在实际工作中造成了一定的误差,为此本文根据光高斯光束的空间分别,构建了其几何衰减模型,并与传统的平面波进行了对比分析。     

初级球差对径向偏振光轴向光阱力的影响

根据里查德沃耳夫矢量积分理论,研究了在径向偏振光经大数值孔径聚焦下,透镜球差对瑞利粒子轴向光阱力的影响。通过数值计算得到了轴向光阱力随球差系数变化的分布。研究结果表明,球差系数的存在,不仅改变了光阱力的数值大小,也影响了对粒子束缚的有效作用区域,还导致光阱中心位置发生偏移。而且正负球差系数对光阱力的影响并不总是对称的,正球差系数使得梯度力的0点位置往z轴正向偏移,负球差系数使得梯度力的0点位置往z轴负向偏移。在不同的数值孔径、粒子半径以及孔径与光腰的比值下,球差对光阱力的影响程度也不同。     

激光光学系统设计中球差对像方束腰的影响

文章主要针对激光光学系统设计中存在的球差对高斯光束像方束腰半径的影响进行了详细的讨论,并给出了具体关系。同时以曲线的形式分析了当物方束腰的位置和光学系统焦距变化时,由球差引起的像方束腰半径变化量也随之改变。最后通过激光羽烟衰减测试系统中聚光光学系统的设计实例说明了球差对高斯光束像方束腰的影响。     

球差透镜对高斯光束质量的影响

根据自由空间束宽的传输方程 ,采用双曲线拟合的方法 ,计算了高斯光束通过球差透镜后的M2 因子。同时还研究有球差的高斯光束在透镜几何焦面和实际焦面上的桶中功率 (PIB)。以M2 因子和PIB作为光束质量评价的参数 ,进行了详细的数值计算来说明球差对光束质量的影响。得出了一些有实际应用意义的新结果。     

光学系统的球差对激光主动侦察的影响

利用光学窗口“猫眼效应”进行的激光主动侦察易受光学镜头的像差的影响。通过建立球差光学系统“猫眼效应”的理论模型,并运用数值仿真计算的方法,分析了目标光学系统的球差与侦察激光的回波发散角、接收功率以及最大侦察距离等参数的关系。结果表明目标光学系统的球差会明显增大回波发散角、降低回波接收功率和减小最大侦察距离,对激光主动侦察造成不良的影响。     

卫星间光通信中多场扫描捕获的仿真优化

在实际的卫星间光通信中，为保证对目标进行确定性捕获，需要采用多场扫描方式。多场扫描范围是多场扫描捕获的关键性参数，需要进行详细的分析。在已经建立的卫星光通信单场捕获模型的基础上，首先对卫星间光通信的多场捕获扫描问题进行了理论分析和模型建立，并以此为依据对多场扫描中的扫描范围的确定进行了研究。分析结果表明，为获得最短的总平均捕获时间需要对扫描范围进行最优化选择。为了便于工程应用，对此问题进行了数值仿真，基于仿真结果给出了多场扫描捕获中最优化扫描范围的确定经验公式。     

基于空间成像的卫星光通信双向捕获技术

分析了目前卫星间光通信中应用较多的双向捕获扫描技术,根据光通信终端和卫星平台的性能情况,给出了基于空间成像的双向扫描捕获适用条件和实施方案。在一定的卫星平台性能条件和捕获概率要求下,当2个终端的单场扫描范围相等时,链路建立过程中捕获系统总的扫描范围最小。通过双向捕获的理论模型,分析了光通信终端和卫星平台参量对双向捕获的影响,建立了双向扫描捕获MonteCarlo计算机仿真实验模型。实验结果表明,采用该设计的捕获方案,当链路卫星平台的姿态控制误差小于0.2°(3σ)时,平均捕获时间小于3 min,捕获概率大于99.5%。     

提高卫星光通信扫描捕获概率的方法研究

在相同的外部环境和系统参数条件下,捕获扫描方式的选择直接影响卫星间光通信终端的捕获性能。粗瞄误差是确定捕获扫描方案过程中的首要考虑因素,通常假设为水平俯仰对称高斯分布,这时螺旋扫描为最佳扫描方式。在实际卫星平台姿态控制过程中,姿态误差在各个转动轴方向上的分布一般是不对称的,进而造成粗瞄误差分布的不对称,仍采用螺旋方式扫描可能效率较低。因此,通过理论分析和Monte Carlo仿真重新分析了捕获扫描方式的选择问题,提出了针对具体星上环境条件采用不同扫描方式的新结论。在卫星光通信的链路建立过程中,粗瞄误差不对称度较高时,同样的扫描时间限制内分行扫描可以获得更高的捕获概率。     

激光非均匀性和内光路热效应对远场特性的影响

高功率高能激光在光束控制系统(或称为内光路)中的传输距离比长程大气传输要短得多，但高功率密度的激光束在通过内光路时的热效应对远场光束质量会有显著影响。采用自编的四维仿真程序，详细计算了沿x方向呈线性变化的环状高功率激光束通过内光路的传输。用像散参数、桶中功率(PIB)和峰值光强位置描述了远场光束质量。研究表明，内光路的热效应(热晕)使得光束的峰值光强和可聚焦能力下降，降低了远场的光束质量，初始光束的非均匀性会影响光束的可聚焦能力并引起像散。值得指出的是，热晕是一种非线性效应，会影响光强分布和引起远场峰值光强位置的移动，对此给出了物理诠释，并用数值计算证实了物理分析。     

超大空域凝视光学系统的光阑像差

鱼眼透镜和超广角镜头具有很严重的光阑球差、光阑彗差。本文主题是：如何简捷计算其光阑球差以准确描述轴外物点成像光束的位置和结构以及如何利用光同阑彗差造成有效的像差渐晕以改善像面照度分布；文章提出用截断级数和微分方法解算光阑球差近似值，用诱导迭代方法人为扩大光阑彗差以增强像差渐晕效应，并达到了预期目的。     

鱼眼式光学系统的光阑球差与主光线标定

本文讨论鱼眼式光学系统光阑球差的两种简易计算方法－级数法和经验系数法，以及如何确保主线准确穿过光阑中心的方法。