双向大气湍流光传输信道的不对称度测量方法技术

本发明专利技术涉及一种双向大气湍流光传输信道的不对称度测量方法,其特征在于：首先使用双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差测量系统来测量两个传输方向上的光波到达角起伏方差；然后根据两个传输方向上的到达角起伏方差计算位于z=L/4和z=3L/4处的两个随机相位屏的有效相干长度，最后根据随机相位屏Pl和随机相位屏Pr的有效相干长度来计算出双向大气湍流光传输信道的不对称度。其通过测量双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差来获得双向大气湍流光传输信道的不对称度，从而为双向自由空间光通信系统的不同传输方向链路的性能分析及优化设计提供实际数据支持。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种双向大气湍流光传输信道的不对称度测量方法，属于大气湍流信道光波传输

技术介绍
自由空间光通信是当前无线通信领域中的一个研究热点。工作在地面附近的自由空间光通信系统会受到大气湍流的影响，通信光信号会产生强度起伏、相位起伏、到达角起伏等现象。为了分析大气湍流对光波传输的影响，需要获取实际大气湍流参数。折射率结构常数是大气湍流的一个关键参数，各种光波大气湍流传输统计量都依赖于该参数。大气湍流折射率结构常数尽管被称为常数，其具体取值却往往受空间位置影响。对于地面附近的水平传输路径，现有的大多数理论研究工作都假设大气湍流折射率结构常数的数值沿传输路径不发生变化。然而实际上，大气湍流折射率结构常数通常都会随路径空间位置的不同而发生变化。大气湍流折射率结构常数沿传输路径的分布对光波大气湍流传输统计量有重要影响。对于给定的传输路径，用A表示路径的一端，用B表示路径的另一端；如果大气湍流折射率结构常数沿传输路径发生变化，则相同的光波从A传到B的光波参数统计特性可能与从B传到A的光波参数统计特性之间存在差异；相反，如果大气湍流折射率结构常数沿传输路径不发生变化，则相同的光波从A传到B的光波参数统计特性与从B传到A的光波参数统计特性是一样的。对同一大气湍流传输路径，沿不同方向传输的光波的参数统计特性差异可以被看作是双向大气湍流光传输信道的不对称性。测量双向大气湍流光传输信道的不对称度有助于深入理解实际双向大气湍流光传输信道的统计性质，同时也可为在实际工程中对不同方向的光传输链路进行优化设计提供数据参考。球面波经大气湍流传输后在接收面上的孔径平均到达角起伏方差可写为：(1)(2)其中，D表示圆形接收孔径直径，L表示传输路径的长度，表示传输路径上z点处的大气湍流折射率结构常数；如图1所示，A对应z=0，B对应z=L，式(1)表示从A传到B的孔径平均到达角起伏方差，式(2)表示从B传到A的孔径平均到达角起伏方差；这里假设传输路径两端使用相同大小的圆形接收孔径。在大量光波大气湍流传输的室内模拟研究中，使用随机相位屏来模拟大气湍流影响，其中随机相位屏可以用液晶空间光调制器来产生。这种方法实际上是用离散的随机相位屏来等效表示连续的大气湍流。多数光波大气湍流传输室内模拟研究都只使用一个随机相位屏来模拟大气湍流。单个随机相位屏不方便用于分析双向大气湍流光传输信道的不对称性。本专利技术提出用两个随机相位屏来等效表示连续大气湍流，以球面波孔径平均到达角起伏方差作为等效光波参数统计量来确定随机相位屏的有效相干长度，用两个随机相位屏的相干长度之差的归一化值来度量双向大气湍流光传输信道的不对称度。如图1所示，对于长度为L的传输路径，两个随机相位屏分别被放置在z=L/4和z=3L/4处，按照《AppliedOptics》1995年34卷20期第4043页的方法，可以把式(1)和式(2)写为(3)(4)其中，和与随机相位屏Pl和随机相位屏Pr的有效相干长度之间的关系为：(5)(6)式中，k表示光波波数，表示随机相位屏Pl的有效相干长度，表示随机相位屏Pr的有效相干长度。由式(3)、式(4)、式(5)、式(6)可得(7)(8)把式(7)和式(8)写成矩阵与向量的乘积形式可得：(9)注意：(10)求解式(9)可得(11)(12)因此，只要测量出和，就可以计算出随机相位屏Pl和随机相位屏Pr的有效相干长度。定义双向大气湍流光传输信道的不对称度为(13)可以发现，如果双向大气湍流光传输信道是对称的，则，否则，且较大表明双向大气湍流光传输信道的不对称度也较大。在上述公式推导中，假设从A端传到B端的光波波长等于从B端传到A端的光波波长。在实际工程中，不同传输方向的光波的波长会存在微小的差异；由于光波大气湍流传输统计特性的波长依赖性很小，微小的波长差异对测量结果的影响可以忽略。在实际测量计算时，前面的公式中的波数k可以设置为，其中为A端传到B端的光波波长，为从B端传到A端的光波波长。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种双向大气湍流光传输信道的不对称度测量方法，通过测量双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差来获得双向大气湍流光传输信道的不对称度，据此可以分析实际双向大气湍流光传输信道的不同传输方向上的光波参数统计特性之间的差异，从而为双向自由空间光通信系统的不同传输方向链路的性能分析及优化设计提供实际数据支持。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种双向大气湍流光传输信道的不对称度测量方法,其特征在于：首先使用双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差测量系统来测量两个传输方向上的光波到达角起伏方差；然后根据两个传输方向上的到达角起伏方差计算位于z=L/4和z=3L/4处的两个随机相位屏的有效相干长度，其中z轴与传输路径重合，L为传输路径的长度，传输路径的A端位于z=0处，传输路径的B端位于z=L处，位于z=L/4的随机相位屏被称为随机相位屏Pl，位于z=3L/4的随机相位屏被称为随机相位屏Pr，用随机相位屏Pl和随机相位屏Pr来等效表示连续大气湍流；最后根据随机相位屏Pl和随机相位屏Pr的有效相干长度来计算出双向大气湍流光传输信道的不对称度。双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差测量系统由第一激光器、第一单模光纤、第一透镜、第一分光器、第二透镜、第一CCD探测器、第二分光器、第三透镜、第二单模光纤、第二激光器、第四透镜、第二CCD探测器、第一计算机、第二计算机组成；第一激光器发出的光信号C001先进入第一单模光纤再经过第一透镜和第一分光器发射到大气湍流信道中，光信号C001传输到达另一端后经第二分光器和第四透镜入射到第二CCD探测器上；第二激光器发出的光信号C002先进入第二单模光纤再经过第三透镜和第二分光器发射到大气湍流信道中，光信号C002传输到达另一端后经第一分光器和第二透镜入射到第一CCD探测器上；第一CCD探测器的输出图像由第一计算机采集和处理，第二CCD探测器的输出图像由第二计算机采集和处理；第一CCD探测器位于第二透镜的焦点位置，第二CCD探测器位于第四透镜的焦点位置，第一单模光纤的出射端位于第一透镜的焦点位置，第二单模光纤的出射端位于第三透镜的焦点位置。把第一激光器所在的一端当作传输路径的A端，把第二激光器所在的一端当作传输路径的B端。光波经第一分光器到达第二透镜再透过第二透镜时的有效通光直径等于光波经第二分光器到达第四透镜再透过第四透镜时的有效通光直径，即传输路径的A端的等效圆形接收孔径直径等于传输路径的B端的等效圆形接收孔径直径。所述的测量方法具体步骤如下：步骤S101：使双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差测量系统正常工作；步骤S102：用第一计算机采集第一CCD探测器输出的连续N帧光斑图像，计算各帧光斑图像的质心，并把质心保存到磁盘文件CRL中；与此同时，用第二计算机采集第二CCD探测器输出的连续N帧光斑图像，计算各帧光斑图像的质心，并把质心保存到磁盘文件CRR中；步骤S103：针对磁盘文件CRL中保存的所有质心数据，每个质心数据由x方向的质心位置数据和y方向的质心位置数据组成，利用统计方法根据所有质心数据计算x方向的质心位置方差和y方向的质心位置方差，到达角起伏方差，f2为第二透镜的焦本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向大气湍流光传输信道的不对称度测量方法,其特征在于：首先使用双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差测量系统来测量两个传输方向上的光波到达角起伏方差；然后根据两个传输方向上的到达角起伏方差计算位于z = L/4和z = 3L/4处的两个随机相位屏的有效相干长度，其中z轴与传输路径重合，L为传输路径的长度，传输路径的A端位于z = 0 处，传输路径的B端位于z = L处，位于z = L/4的随机相位屏被称为随机相位屏Pl，位于z = 3L/4的随机相位屏被称为随机相位屏Pr，用随机相位屏Pl和随机相位屏Pr来等效表示连续大气湍流；最后根据随机相位屏Pl和随机相位屏Pr的有效相干长度来计算出双向大气湍流光传输信道的不对称度；双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差测量系统由第一激光器、第一单模光纤、第一透镜、第一分光器、第二透镜、第一CCD探测器、第二分光器、第三透镜、第二单模光纤、第二激光器、第四透镜、第二CCD探测器、第一计算机、第二计算机组成；第一激光器发出的光信号C001先进入第一单模光纤再经过第一透镜和第一分光器发射到大气湍流信道中，光信号C001传输到达另一端后经第二分光器和第四透镜入射到第二CCD探测器上；第二激光器发出的光信号C002先进入第二单模光纤再经过第三透镜和第二分光器发射到大气湍流信道中，光信号C002传输到达另一端后经第一分光器和第二透镜入射到第一CCD探测器上；第一CCD探测器的输出图像由第一计算机采集和处理，第二CCD探测器的输出图像由第二计算机采集和处理；第一CCD探测器位于第二透镜的焦点位置，第二CCD探测器位于第四透镜的焦点位置，第一单模光纤的出射端位于第一透镜的焦点位置，第二单模光纤的出射端位于第三透镜的焦点位置；把第一激光器所在的一端当作传输路径的A端，把第二激光器所在的一端当作传输路径的B端；光波经第一分光器到达第二透镜再透过第二透镜时的有效通光直径等于光波经第二分光器到达第四透镜再透过第四透镜时的有效通光直径，即传输路径的A端的等效圆形接收孔径直径等于传输路径的B端的等效圆形接收孔径直径。...

【技术特征摘要】
1.一种双向大气湍流光传输信道的不对称度测量方法,其特征在于：首先使用双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差测量系统来测量两个传输方向上的光波到达角起伏方差；然后根据两个传输方向上的到达角起伏方差计算位于z=L/4和z=3L/4处的两个随机相位屏的有效相干长度，其中z轴与传输路径重合，L为传输路径的长度，传输路径的A端位于z=0处，传输路径的B端位于z=L处，位于z=L/4的随机相位屏被称为随机相位屏Pl，位于z=3L/4的随机相位屏被称为随机相位屏Pr，用随机相位屏Pl和随机相位屏Pr来等效表示连续大气湍流；最后根据随机相位屏Pl和随机相位屏Pr的有效相干长度来计算出双向大气湍流光传输信道的不对称度；双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差测量系统由第一激光器、第一单模光纤、第一透镜、第一分光器、第二透镜、第一CCD探测器、第二分光器、第三透镜、第二单模光纤、第二激光器、第四透镜、第二CCD探测器、第一计算机、第二计算机组成；第一激光器发出的光信号C001先进入第一单模光纤再经过第一透镜和第一分光器发射到大气湍流信道中，光信号C001传输到达另一端后经第二分光器和第四透镜入射到第二CCD探测器上；第二激光器发出的光信号C002先进入第二单模光纤再经过第三透镜和第二分光器发射到大气湍流信道中，光信号C002传输到达另一端后经第一分光器和第二透镜入射到第一CCD探测器上；第一CCD探测器的输出图像由第一计算机采集和处理，第二CCD探测器的输出图像由第二计算机采集和处理；第一CCD探测器位于第二透镜的焦点位置，第二CCD探测器位于第四透镜的焦点位置，第一单模光纤的出射端位...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈纯毅，杨华民，蒋振刚，倪小龙，娄岩，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22