非科尔莫哥洛夫湍流中的光传输研究

bb20920d · 发表于 2022-4-8 13:06:24

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空间光通信是一种利用在空间传播的激光光束作为载波，以大气作为传输信道的通信方式，它具有通信容量大、功耗低、体积小、保密性好、抗电磁干扰能力强等优点。然而，当激光在大气中传输时，大气折射率随时间和空间变化引起的大气湍流效应包括光强闪烁、光束漂移和光束扩展等，这些因素将会影响接收端信号的信噪比和误码率，从而缩短通信距离。在前人对单光束在科尔莫哥洛夫（Kolmogorov）湍流中传输的研究基础上，本论文研究了光束阵列在非科尔莫哥洛夫（non-Kolmogorov）湍流中的传输性质。基于广义的惠更斯-菲涅尔原理，我们深入研究了径向高斯光束阵列、线性高斯-谢尔光束阵列和矩形椭圆光束阵列在non-Kolmogorov湍流中传输的光束扩展。由于光束传输因子（M2-因子）的重要性，我们还研究了在相干和非相干合成情况下，径向高斯-谢尔光束阵列在non-Kolmogorov湍流中传输的M2-因子。研究结果表明，对于径向光束阵列，均方根光束宽度和M2-因子随着光束数的增大而减小，最终趋向于其渐近值；对于给定的光束数，存在一个最优的圆环半径使得均方根光束宽度和M2-因子达到极小值。对于线性高斯-谢尔光束阵列，均方根光束宽度随着光束数的增大先减小后增大；对于给定的光束数，相邻光束之间存在一个最优的距离使得均方根光束宽度达到极小值。对于矩形光束阵列，在短距离传输情况下，椭圆高斯光束阵列的均方根光束宽度比圆形高斯光束的均方根光束宽度大；然而，在长距离传输情况下，椭圆高斯光束阵列的均方根光束宽度比圆形高斯光束阵列的均方根光束宽度小。因此，椭圆光束阵列对提高自由空间光通信性能具有重要意义。此外，高斯-谢尔光束阵列受湍流的影响比高斯光束阵列的要小。非相干合成情况下的光束阵列受湍流的影响比相干合成情况下的要小。另外，光束阵列在非non-Kolmogorov湍流中传输的光束扩展和聚焦能力不同于光束阵列在Kolmogorov湍流中传输的情况。因此，在实际的系统设计中，我们应该要考虑non-Kolmogorov湍流对光传输的影响。

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