專利名稱：偽部分相干光束大氣湍流傳輸閃爍特性測試系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于大氣信道中的激光信號傳輸與探測領(lǐng)域，涉及一種偽部分相干光束大氣湍流傳輸閃爍特性 測試系統(tǒng)與方法。
背景技術(shù)：
大氣湍流造成激光信號的光強(qiáng)發(fā)生閃爍，導(dǎo)致大氣信道激光通信系統(tǒng)的性能降低。已有的研究結(jié)果表明，降低激光的初始空間相干度能夠有效地抑制大氣湍流導(dǎo)致的光強(qiáng)閃爍，提高大氣信道激光通信系統(tǒng)的性能。為了控制激光的初始空間相干度，在實際應(yīng)用中，通常使用隨機(jī)相位屏對激光的波前相位進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)隨機(jī)相位屏調(diào)制后的激光束被DavidVoelz和Kevin Fitzhenry稱為偽部分相干光束(見2004年的SPIE會議論文集第5550卷第218 224頁)。偽部分相干光束實際上并非真正意義上的部分相干光束，它在瞬態(tài)上仍然是相干的。為了獲得光強(qiáng)閃爍抑制效果，要求在光電探測器的積分時間之內(nèi)，用多個不同的隨機(jī)相位屏調(diào)制激光的波前相位，光電探測器實際探測出的光強(qiáng)閃爍方差依賴于光電探測器的積分時間長度與隨機(jī)相位屏的變化時間間隔之比。在本發(fā)明的描述中，將光電探測器的積分時間長度與隨機(jī)相位屏的變化時間間隔之比稱為偽部分相干光束的相對調(diào)制頻率。理論上，偽部分相干光束的相對調(diào)制頻率越高，光電探測器實際探測出的光強(qiáng)閃爍方差越小，但二者并非是簡單的線性關(guān)系。當(dāng)前，用于實現(xiàn)隨機(jī)相位屏功能的器件有旋轉(zhuǎn)散光器和液晶空間光調(diào)制器。由于液晶空間光調(diào)制器便于控制，其在實際中得到廣泛應(yīng)用。液晶空間光調(diào)制器的成本與其支持的最大工作頻率(即液晶空間光調(diào)制器每秒能顯示的最大隨機(jī)相位屏個數(shù))成正比。隨機(jī)相位屏的最小變化時間間隔直接取決于液晶空間光調(diào)制器支持的最大工作頻率。對于大氣信道激光通信應(yīng)用而言，通信速率一般在若干Mbps以上，每個通信碼元所占的時間長度非常短，如果使用偽部分相干光束來抑制光強(qiáng)閃爍，光電探測器的積分時間也非常短。為了保證一定的偽部分相干光束的相對調(diào)制頻率，要求液晶空間光調(diào)制器能支持較大的工作頻率。如果能夠知道偽部分相干光束的相對調(diào)制頻率與光電探測器實際探測出的光強(qiáng)閃爍方差的依賴關(guān)系，就可以根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)要求，對偽部分相干光束的相對調(diào)制頻率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而降低液晶空間光調(diào)制器的成本。此外，為了便于與相干激光大氣湍流傳輸進(jìn)行對比分析，也需要同步測量相干激光大氣湍流傳輸?shù)墓鈴?qiáng)閃爍方差。由于實際大氣湍流的時變特性，需要保證相干激光與偽部分相干光束的傳輸信道的大氣湍流瞬態(tài)特性是相同的。本發(fā)明通過對收發(fā)光路進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，使相干激光和偽部分相干光束同時在相同的空間信道上傳輸，以此來解決這一問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種偽部分相干光束大氣湍流傳輸閃爍特性測試系統(tǒng)與方法。偽部分相干光束大氣湍流傳輸閃爍特性測試系統(tǒng)由光束發(fā)射子系統(tǒng)和光束接收與探測子系統(tǒng)組成。如圖I所示，光束發(fā)射子系統(tǒng)包括激光器101、凸透鏡102、凸透鏡103、液晶空間光調(diào)制器104、凸透鏡105、凸透鏡106、激光器107、凸透鏡108、凸透鏡109、半反半透分光片110、光學(xué)發(fā)射天線111、液晶空間光調(diào)制器驅(qū)動模塊112和控制計算機(jī)113。如圖2所示，光束接收與探測子系統(tǒng)包括光學(xué)接收天線201、凸透鏡202、凸透鏡203、半反半透分光片204、聚焦透鏡組205、光電探測器206、聚焦透鏡組207、光電探測器208、數(shù)據(jù)采集卡209、數(shù)據(jù)采集卡210和數(shù)據(jù)處理計算機(jī)211。激光器101發(fā)射的空間相干光信號經(jīng)凸透鏡102和凸透鏡103變換后，入射到液晶空間光調(diào)制器104上，從液晶空間光調(diào)制器104透射過去的光信號經(jīng)凸透鏡105和凸透鏡106變換后入射到半反半透分光片110上，并從半反半透分光片110上透射 過去，進(jìn)入光學(xué)發(fā)射天線111 ;控制計算機(jī)113生成隨機(jī)相位屏控制信號，再通過液晶空間光調(diào)制器驅(qū)動模塊112輸出給液晶空間光調(diào)制器104 ;激光器107發(fā)射的空間相干光信號經(jīng)凸透鏡108和凸透鏡109變換后入射到半反半透分光片110上，并經(jīng)半反半透分光片110反射，進(jìn)入光學(xué)發(fā)射天線111 ;光學(xué)發(fā)射天線111將從其輸入端入射的光信號發(fā)射到大氣信道中。通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計凸透鏡109和凸透鏡106的參數(shù)，使從二者出射的光信號的光束直徑相同。通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計半反半透分光片110的參數(shù)，使從其反射和透射的光信號在空間上相互重疊。光學(xué)接收天線201收到的光信號經(jīng)凸透鏡202和凸透鏡203變換后入射到半反半透分光片204上，其中一種波長的光信號被半反半透分光片204反射后經(jīng)聚焦透鏡組207入射到光電探測器208上，另一種波長的光信號從半反半透分光片204透射過去后經(jīng)聚焦透鏡組205入射到光電探測器206上；光電探測器208的輸出信號通過數(shù)據(jù)采集卡209輸入到數(shù)據(jù)處理計算機(jī)211中，光電探測器206的輸出信號通過數(shù)據(jù)采集卡210輸入到數(shù)據(jù)處理計算機(jī)211中。光電探測器206和光電探測器208選用高帶寬雪崩光電二極管探測器APD，激光器101和激光器107輸出不同波長的空間相干光信號。光電探測器208探測的光信號為激光器101發(fā)射的光信號，光電探測器206探測的光信號為激光器107發(fā)射的光信號。偽部分相干光束大氣湍流傳輸閃爍特性測試方法的具體實現(xiàn)方式如下使激光器101和激光器107處于工作狀態(tài),輸出光信號；控制計算機(jī)113每間隔時間T1就生成一個新的隨機(jī)相位屏控制信號，并通過液晶空間光調(diào)制器驅(qū)動模塊112輸出給液晶空間光調(diào)制器104，以實現(xiàn)對入射到液晶空間光調(diào)制器104上的光信號的波前相位的調(diào)制。數(shù)據(jù)處理計算機(jī)211通過數(shù)據(jù)采集卡209每間隔時間T2就讀取一次光電探測器208探測到的光信號，并將讀取的數(shù)據(jù)保存在計算機(jī)文件AOOl中；數(shù)據(jù)處理計算機(jī)211通過數(shù)據(jù)采集卡210每間隔時間T2就讀取一次光電探測器206探測到的光信號，并將讀取的數(shù)據(jù)保存在文件A002中。在本發(fā)明的系統(tǒng)和方法中，T1 = T2。在激光信號傳輸與探測的同時，使用閃爍儀同步測量從光束發(fā)射子系統(tǒng)所在位置到光束接收與探測子系統(tǒng)所在位置的路徑平均大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)，并將不同時刻的路徑平均大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)測量值保存在文件Α003中。將文件AOOl中的數(shù)據(jù)按保存的時間先后順序，以N1個數(shù)據(jù)為一組進(jìn)行分組，N1彡128 ;對文件AOOl中的數(shù)據(jù)的每一個分組Α004，做如下計算StepAOOl :設(shè)置正整數(shù)變量j的值；StepA002 :令變量 S1 = O, m = O ;StepA003 :如果m+j彡N1，則次=& + m+k，dm+k表示分組A004的以保存時間先后為序的第m+k個數(shù)據(jù)，否則轉(zhuǎn)Step005 ；StepA004 m = m+j，轉(zhuǎn) Step003 ；StepA005 =A1 = S1Zm ；StepA006 :令變量 S2 = 0，m = 0 ;StepA007 :如果
權(quán)利要求
1.偽部分相干光束大氣湍流傳輸閃爍特性測試系統(tǒng)與方法，其特征在于，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實施方法如下 偽部分相干光束大氣瑞流傳輸閃爍特性測試系統(tǒng)由光束發(fā)射子系統(tǒng)和光束接收與探測子系統(tǒng)組成；光束發(fā)射子系統(tǒng)包括激光器101、凸透鏡102、凸透鏡103、液晶空間光調(diào)制器104、凸透鏡105、凸透鏡106、激光器107、凸透鏡108、凸透鏡109、半反半透分光片110、光學(xué)發(fā)射天線111、液晶空間光調(diào)制器驅(qū)動模塊112和控制計算機(jī)113 ;光束接收與探測子系統(tǒng)包括光學(xué)接收天線201、凸透鏡202、凸透鏡203、半反半透分光片204、聚焦透鏡組205、光電探測器206、聚焦透鏡組207、光電探測器208、數(shù)據(jù)采集卡209、數(shù)據(jù)采集卡210和數(shù)據(jù)處理計算機(jī)211 ;激光器101發(fā)射的空間相干光信號經(jīng)凸透鏡102和凸透鏡103變換后，入射到液晶空間光調(diào)制器104上，從液晶空間光調(diào)制器104透射過去的光信號經(jīng)凸透鏡105和凸透鏡106變換后入射到半反半透分光片110上，并從半反半透分光片110上透射過去，進(jìn)入光學(xué)發(fā)射天線111 ;控制計算機(jī)113生成隨機(jī)相位屏控制信號，再通過液晶空間光調(diào)制器驅(qū)動模塊112輸出給液晶空間光調(diào)制器104 ;激光器107發(fā)射的空間相干光信號經(jīng)凸透鏡108和凸透鏡109變換后入射到半反半透分光片110上，并經(jīng)半反半透分光片110反射，進(jìn)入光學(xué)發(fā)射天線111 ;光學(xué)發(fā)射天線111將從其輸入端入射的光信號發(fā)射到大氣信道中； 通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計凸透鏡109和凸透鏡106的參數(shù)，使從二者出射的光信號的光束直徑相同；通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計半反半透分光片110的參數(shù)，使從其反射和透射的光信號在空間上相互重疊；光學(xué)接收天線201收到的光信號經(jīng)凸透鏡202和凸透鏡203變換后入射到半反半透分光片204上，其中一種波長的光信號被半反半透分光片204反射后經(jīng)聚焦透鏡組207入射到光電探測器208上，另一種波長的光信號從半反半透分光片204透射過去后經(jīng)聚焦透鏡組205入射到光電探測器206上；光電探測器208的輸出信號通過數(shù)據(jù)采集卡209輸入到數(shù)據(jù)處理計算機(jī)211中，光電探測器206的輸出信號通過數(shù)據(jù)采集卡210輸入到數(shù)據(jù)處理計算機(jī)211中；光電探測器206和光電探測器208選用高帶寬雪崩光電二極管探測器APD，激光器101和激光器107輸出不同波長的空間相干光信號；光電探測器208探測的光信號為激光器101發(fā)射的光信號，光電探測器206探測的光信號為激光器107發(fā)射的光信號；偽部分相干光束大氣湍流傳輸閃爍特性測試方法的具體實現(xiàn)方式如下 使激光器101和激光器107處于工作狀態(tài),輸出光信號；控制計算機(jī)113每間隔時間T1就生成一個新的隨機(jī)相位屏控制信號，并通過液晶空間光調(diào)制器驅(qū)動模塊112輸出給液晶空間光調(diào)制器104，以實現(xiàn)對入射到液晶空間光調(diào)制器104上的光信號的波前相位的調(diào)制；數(shù)據(jù)處理計算機(jī)211通過數(shù)據(jù)采集卡209每間隔時間T2就讀取一次光電探測器208探測到的光信號，并將讀取的數(shù)據(jù)保存在計算機(jī)文件AOOl中；數(shù)據(jù)處理計算機(jī)211通過數(shù)據(jù)采集卡210每間隔時間T2就讀取一次光電探測器206探測到的光信號，并將讀取的數(shù)據(jù)保存在文件A002中；在本發(fā)明的系統(tǒng)和方法中，T1 = T2 ； 在激光信號傳輸與探測的同時，使用閃爍儀同步測量從光束發(fā)射子系統(tǒng)所在位置到光束接收與探測子系統(tǒng)所在位置的路徑平均大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)，并將不同時刻的路徑平均大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)測量值保存在文件A003中； 將文件AOOl中的數(shù)據(jù)按保存的時間先后順序，以N1個數(shù)據(jù)為一組進(jìn)行分組，N1 ^ 128 ；對文件AOOl中的數(shù)據(jù)的每一個分組A004，做如下計算 StepAOOl :設(shè)置正整數(shù)變量j的值；StepA002 :令變量 S1 = 0，m = O ; StepA003 :如果m+j≤N1，則
全文摘要
本發(fā)明公開一種偽部分相干光束大氣湍流傳輸閃爍特性測試系統(tǒng)與方法，屬于大氣信道中的激光信號傳輸與探測技術(shù)領(lǐng)域。測試系統(tǒng)由光束發(fā)射子系統(tǒng)和光束接收與探測子系統(tǒng)組成，通過使用不同的方差統(tǒng)計計算參數(shù)，實現(xiàn)了不同探測器積分時間條件下的偽部分相干光束的大氣湍流傳輸閃爍方差的計算。本發(fā)明的系統(tǒng)與方法能同步測量出相干激光在大氣湍流中傳輸時的光強(qiáng)閃爍方差，及其與實際的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系。利用本發(fā)明的系統(tǒng)與方法所測試出的結(jié)果有助于對使用偽部分相干光束來抑制大氣湍流導(dǎo)致的光強(qiáng)閃爍的應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
文檔編號H04B10/08GK102739314SQ20121023266
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者佟首峰, 婁巖, 楊華民, 范靜濤, 蔣振剛, 陳純毅 申請人:長春理工大學(xué)