关键词：
FSO通信
湍流传输特性
部分相干结构光束
光场调控
摘要：
自由空间光（Free space optical,FSO）通信由于高传输速率、高信息容量、高抗干扰能力等优点得到了广泛关注。然而,光束在FSO信道传播时因湍流等环境会引起光场畸变、到达角起伏、波束扩展和光强抖动等现象,影响FSO通信质量,制约光通信产业发展。如何抑制光束传输过程中湍流等带来的负面效应并对其进行实时补偿,是提高空间激光通信性能并走向实际应用需要解决的关键问题。通过对光束空间相位进行调控可以得到具有特殊光场分布的结构光束,这些结构光束具有独特的传输特性,如自聚焦、无衍射和自愈合等,这些奇特的传输特性使得结构光束在FSO通信中具有重要研究价值。
在对目前基于抗湍流光束及部分相干光束的湍流传输通信现状进行调研综述的基础上,本论文仿真及实验研究了部分相干贝塞尔高斯（Bessel-Gaussian,BG）光束与其他具有抗湍流能力结构光束的湍流传输及通信特性进行。首先基于随机相位屏法和功率谱反演法建立湍流传输模型对三种抗湍流结构光束湍流传输特性进行了仿真研究,结果BG光束传输性能最优。为了进一步提升光束的抗湍流性能,利用复数屏法将部分相干光束和BG光束结合,得到部分相干BG光束并仿真分析其湍流传输特性。在仿真研究基础上,设计并搭建了三种典型湍流环境（海洋、大气、雾散射）传输及通信实验平台,实验研究了部分相干结构光束在三种湍流环境的传输及通信特性。具体工作如下:
1.部分相干结构光束湍流环境传输特性建模与仿真分析。
首先,基于随机相位屏法和功率谱反演法建立了适用于多种光束的海洋湍流传输模型,与高斯光束对比,仿真研究了不同湍流强度及传输距离下BG光束、因斯高斯（Ince-Gaussian,IG）光束及径向偏振高斯（radially polarized Gaussian,RPG）光束在海洋湍流的传输特性（闪烁指数、质心漂移）。在动能耗散率为10-6m2·s-3湍流条件下,BG光束传输10 m内闪烁指数最小。其次,为了进一步提升光束的湍流传输性能,利用复数屏法将BG光束特性与部分相干特性结合,构建了部分相干BG光束。最后,仿真研究部分相干结构光束在海洋湍流的传输特性与相干长度和接收孔径之间的关系。部分相干BG光束的孔径闪烁指数随相干长度减小而减小,随接收孔径增大而减小。
2.部分相干结构光束海洋湍流环境传输及通信实验研究。
首先,基于空间光调制器（Spatial Light Modulator,SLM）和旋转毛玻璃片设计并搭建了部分相干结构光束产生实验平台,实验产生了BG光束等结构光束及部分相干结构光束。其次,设计并搭建了海洋湍流环境室内实验平台,实验研究了BG光束与IG、RPG、高斯光束在海洋湍流环境的传输及通信特性,在7.5 Mbps开关键控（On/off-keying,OOK）的1.5m通信链路中,湍流参数C_n2=10-6～10-8时,相比于高斯光束,BG光束与RPG光束传输特性相近且更优;BG光束的通信灵敏度比高斯光束提升了5.5d B。最后,实验研究了部分相干BG光束与其他部分相干光束在海洋湍流环境的传输特性,经过1.5m海洋湍流后,部分相干BG光束质心漂移及闪烁指数最小。
3.部分相干结构光束大气湍流环境传输及通信实验研究。
首先,基于自制湍流片设计并搭建了模拟大气湍流传输实验系统,实验研究了BG光束与IG、RPG、高斯光束在大气湍流环境传输特性,BG光束与IG、RPG光束传输性能均优于高斯光束,且BG光束功率抖动范围最小,比RPG光束降低了一半。其次,设计并搭建了大气湍流通信实验系统,通过室内外温差增加湍流效应。实验对比研究了BG、部分相干BG光束与高斯光束的通信特性。在10 Gbps-OOK的200 m通信链路中,湍流参数为σ2=0.009～0.08时,相比于高斯光束,BG光束误码率降低了约0.5～1个数量级,通信灵敏度提高了约0.6～0.7 d B;部分相干BG光束通信链路误码率降低了约1～2个数量级,通信灵敏度提高了约1.5～2 d B。在2.5G Gbps差分相移键控（Differential phase shift keying,DPSK）的200 m通信链路中,湍流参数为σ2=0.009～0.08时,与高斯光束相比,BG光束误码率最多降低了约4个数量级,通信灵敏度提高了约2～3 d B;部分相干BG光束通信链路未能实现通信。
4.部分相干结构光束雾散射湍流环境传输及通信实验研究。
首先,首次建立了BG光束烟雾散射湍流环境传输及通信模型,基于该模型仿真研究了BG与高斯光束烟雾散射信道传输及通信特性并搭建烟雾散射环境传输及通信实验系统进行验证。在1 Gbps-OOK的2 m通信链路中,与高斯光束相比,BG光束的功率衰减降低了约3.13 d B,BG光束的通信灵敏度提高了约10.17 d B。
