[发明专利]湍流大气信道中的激光脉冲传输时间展宽及信道传递函数测量方法

说明书

技术领域

本发明属于无线激光通信技术领域，涉及一种湍流大气信道中的激光脉冲传输时间展宽及信道传递函数测量方法。

背景技术

无线激光通信具有保密性好、部署机动灵活、无需频带申请等优点，近年来受到人们的普遍关注。当无线激光通信系统工作在地球大气环境中时，地球大气会造成激光脉冲在时间上出现展宽。对于使用强度调制/直接探测方式的无线激光通信系统，通信激光脉冲时间展宽会引起码间串扰，造成通信系统性能降低。因此对实际湍流大气信道中的激光脉冲时间展宽进行测量，以此为依据进而获得湍流大气信道传递函数，对大气环境中的无线激光通信系统性能分析及优化设计具有重要意义。

发表在《App1ied Optics》37卷33期7655-7660页和SPIE会议论文集3266卷231-240页的两篇论文通过理论建模研究指出：窄带高斯光脉冲信号经弱湍流大气信道传输后，在近场和远场条件下接收机收到的系综平均光脉冲信号在时间上都保持高斯函数形状，只是系综平均光脉冲信号的时间宽度变得更宽，即发生了脉冲时间展宽。发表在《Optics Express》20卷7期7749-7757页的论文发现，窄带高斯光脉冲信号经强湍流大气信道传输后，接收机收到的系综平均光脉冲信号在时间上也保持高斯函数形状。对于实际无线激光通信系统来说，接收机收到的系综平均光脉冲时间宽度与发射机发射的光脉冲时间宽度之比，能够从统计上定量地描述光脉冲经湍流大气信道传输后发生的时间展宽程度，是一个重要的物理量。对于高斯光脉冲来说，可以定义高斯光脉冲经湍流大气信道传输后的系综平均时间展宽比为接收机收到的高斯光脉冲系综平均时间宽度与发射机发射的高斯光脉冲时间宽度之比。在数学上，发射机发射的光脉冲可表示为p_i(t)=v_i(t)exp(-iω₀t)，v_i(t)表示脉冲时间形状，ω₀表示光载波角频率，接收机收到的系综平均光脉冲可表示为p_o(t)=v_o(t)exp(-i_ωt)，v_o(t)表示系综平均脉冲时间形状。从线性系统的角度，可得P_o(ω)=H(ω)P_i(ω)，P_o(ω)为p_o(t)的傅里叶变换，P_i(ω)为p_i(t)的傅里叶变换，H(ω)表示湍流大气信道的传递函数。由于发射机发射的光脉冲的峰值和接收机收到的系综平均光脉冲的峰值通常是不同的，因此H(ω)包含一个不依赖于角频率ω的比例系数c_k。比例系数c_k只表征了光脉冲经湍流大气信道传输所受的衰减情况，其受激光束散角、光束半径、传输距离等多种因素影响。实际上，在分析光脉冲湍流大气传输时间展宽以及脉冲形状变化时，令比例系数c_k为1也不会影响分析结果。因此，在测量湍流大气信道的传递函数时，可不测比例系数c_k。从前面的分析可知，只要知道湍流大气信道的传递函数H(ω)和发射机发射的光脉冲信号p_i(t)，即可求出P_o(ω)，进而用逆傅里叶变换得到P_o(t)，在此基础上就可分析湍流大气信道对通信光脉冲传输产生的时间展宽和形状变化影响。所以测量实际湍流大气信道的传递函数非常有意义。由于高斯函数的傅里叶变换仍然是高斯函数，即v_o(t)=exp(-t²/b²)的傅里叶变换为因此使用高斯光脉冲传输能使湍流大气信道传递函数的测量变得更容易。

发明内容