湍流大气中孔径平均对有效信噪比的影响分析

湍流大气中孔径平均对有效信噪比的影响分析 曹辉 ,,上海江南造船,集团,有限责任公司 军事代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 室,上海 ,:,,,, 摘 要,从孔径平均效应出发,首先建立高斯光束条件下的有效信噪比模型,并结合模型中的孔径平均因子,详细介绍了高 ,,,斯光束下的孔径平均效应模型在此基础上通过仿真实验对比分析了不同湍流强度下有效信噪比随孔径尺寸的变化趋势结 ,,。,果发现随着孔径尺寸的不断增加有效信噪比逐渐变大说明孔径平均效应可以有效抑制大气湍流对通信系统的影响 ,,,,关键词无线光通信大气湍流有效信噪比孔径平均 ,中图分类号, 文章编号,,,文献标识码 ,，,,,,,,,,,::,,,,,,:,,,,::,,:,,,,, ,,::,;～;,,;,,:,;;:,;,，,,～,～;,:;,,:,～;; ，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, :,: ，～, ,,,,,，,,,:,,,,,,,～:,，,,～,～,:,,,,:～,,,,,,;,;,;,,,,;:;,,,:;,，,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,! !,,,!, ,, ,,,,:,;,,,,～,;～;,,;,,;;:～;,;::,,～:,;;:,;,，, ,:,;,～;,,～,,,,,;,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,:,;,,,,,:,～:;,,;～;,,;,,:,;,,;,::,,;,,～,;～;,,;,,,:::～;:,;,,～;,,,:, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, , ,;,,;,::;;:,;,，,,～,;～;,,;～,,;～;::,,:,:,;;,～,～;,:;,;,,,,,,;,～:～～～;,～,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,!,!!,, ,,:,,,,,～～～:,～～,,,，,:,,,～,,;,;,;,,,;,;,,,,,,,,,,;,,,;,,;,:,;,,;;;:,,;,,,,,,;,,;,,,;,,;,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ;::,,;;:,;;,,,～;,～;,:;:～,～;,:;:,::,,～,:,:,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, !! ,,,, :，;,:,,,,～,～;,:;;;:,;,，,,;～;,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,! ,,,, ,平面 波 和 球 面 波 的 孔 径 平 均 因 子 的 计 算 表 达 式 引 言 :等推导出了 适 用 于不同湍流区的孔径平均因 ,,,;,,, 子计算普适模型以及不同孔径尺寸下接收光功率起伏 ,,,它是指 无线光通信又称为自由空间光通信:,,,,的时间谱模型并指出随着孔径尺寸的增加接收光功 ,。 以光波为载体在真空或大气中传递信息的通信技术,,,,,率起伏的频谱分布不断向低频方向移动在国内马 ,,与其他通信手段相比无线光通信的优点是通信容量 晓姗等分别 用 谱 和 修 正 谱 分 析 了 湍 流 ,,,,，，,,,,,,,,,大可以用于宽带接入解决最后一公里的瓶颈问题保 ,内尺度对孔径平均因子的影响指出在其他条件不变的 ,,, 密性好可用于需要严格保密的场合尤其是军事场所 ,,。情况下内尺度越大孔径效应越小 、,,抗电磁干扰组网方便灵活无需申请频带许可适用于 ,通过总结发现目前所进行的孔径平均效应理论研 不宜采用无线电通信的地方及地形地貌不适合铺设光 ,,,,究多数是在平面波或球面波条件下进行的而实际通信 。纤的地区 ,,系统所发射光束为高斯波束结合实际本文建立高斯 ,由于无线光通信的传输媒质是大气在其传输过程 ,波束下有效信噪比模型并对高斯波束下的孔径平均效 ,、、中会受到大气湍流的影响产生闪烁漂移扩展以及到 ,,应进行了详细的讨论在此基础上最后通过仿真实验 ,。 达角起伏等现象称为大气湍流效应其中光强闪烁效 。研究了孔径平均对有效信噪比的改善效果 ,应会导致接收机收到的光强产生起伏相当于系统中引 ,入了乘性噪声值得无线光通信的性能指标大幅度的降 。 ,低但是光功率的起伏方差与接收器孔径尺寸有关接 有效信噪比模型 ,,,收孔径越大光强起伏方差越小这就是所谓孔径平均 ,、,,,效应它是目前抑制光强闪烁效应最有效最直接的方 理论上基模高斯光束是最简单最常用的 ,,，:: ,,高斯光束形式沿由于 轴方向传播的基模高斯光束。 ,法针对孔径平均效应各国的学者做了大量的理论研 , ,其光强收到大气湍流在弱湍流条件下对于高斯光束而 , ,,,平面内任一点到原点的距离表示其在零度以上的物体内部电子的无规则热运动造成的，,,,,: : ,π,,:,,,,,,,,,,,是波处的光强表示发射功率为 光 斑 半 径又 称 为 方差为 ,,,,,:，， ,, ,， , ,, ，， , ,× , ,,:σ，， ,,光束的束腰表 示 接 收 端 的 有 效 光 斑 半 径它 是 由 ,， ,,。尔兹曼常数为 负 载 阻 抗假 设 为等 效 噪 声 温 度, , ，,,光斑扩展引起的具体表达式为 ,,两种噪声方差之间是统计独立的则总的噪声方差为 , , ,, ,,, , , , , 。假设上述所, ， ,σ ,;, ,,，,, ,， ,， ，σ， ,, , ，，，，， ,, 式中表示此处的光强降至中处的光斑半径, 这就意味着探测器的输出电流叙述的噪声为加性噪声,, ， ,， , ,,,,,心处的它是传输距离 的函数并且服从双曲线 为一个随机变量并且均值为 方差为 ,;， ,,,,,， ,，,,， ,变化规律 , , , 。 σ,σ, ，σ， ， ,定义有效信噪比为接收到的平均信号功率与噪声 ，λ ,, ,,,, ， , : ， ,,,功率之间的比值即 ,,,π :槡 ,, ,当存在大气湍流的时候接收到信号的平均光功率,,，, ,, σ ,， ， ，;,,,,,,,可以近似表示为 , ,, ,， ,,,,?,,,,,，,,,,,,,,，,, ，，:σσ:π ，， , ,,, ,, ,，,,， ,, ,, ， ,,,,,，, θ,, ， ，，:: ?? ,,,式即下文仿真实验所用到的模型其中 ,,，,,: π, ,, ,,,,, ,，:， , ，，, ,表示无湍流时接收端的 信 噪 比表 示 孔 径 平 均 , ,, σ， , 。因子,,。式中令表示接收孔径的直径表示光束的发散角, θ ,,,,式中的中即可求得平均光功率 并代入式,, : , , 孔径平均效应模型, 。,的值在求 得 平 均 光 功 率 之 后根 据 关 系 式 ,, , ,， ,在上一节中提到了孔径平均因子它可以直接 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 ,其 即可得到湍流影响下的平均光电流的值, ,, ， ， ,,孔径平均效果的高低在研究过程中发现目前所建立 。中 表示光电探测器的响应度, 的孔径平均效应模型多是平面波或球面波条件下进行 ,在无线光通信系统中探测器的输出噪声主要包括 ,,。 的而本文所有的讨论都是在高斯波束条件下进行的散粒噪声和约翰逊噪声其中散粒噪声主要是由于热 , 激发作用而 随 机 产 生 的 电 子 所 造 成 的 起 伏其 方 差 为 。所以有必要 建 立 高 斯 波 束 条 件 下 孔 径 平 均 效 应 模 型 ,,在本文中只考虑基模高斯波束并且是在准直激光束 ,,,,,,,,,为电子电荷为 ,, ,,,,:;;, ,,× : , σ， ， ,， ,。 ,,的条件下讨论的此时接收端的光强起伏方差为 ,,,? , ，ΩΛ，κ ,,,κ , ,, , , ,,,,,,,,,,,: ,,,:,，ΛΩ ,,，，;,,Θ ,,Θ, κ ,,,,,Φ σπκ,,， ξξξ ξξ κ ,, ,, ,, , ， ,,: :Λ, ，Ω,κ Ω??, ，Λ, ,, ,,,,,,,,,式中是表示折射率起伏的三维功率谱密度是入射波束的半径是空间波数表示传输距离， ,， , Φ πλ,Λ,κ,。, ,,,是表征聚光透镜半径的无量纲参数从式中很容易看出当聚光透镜半径等于入射波的半径时 ,, , Ω,，，, , ,, , ,。,,,表示此时不会出现光强闪烁现象 即, : ，Ω, , Λ,σ, ,,在忽略内尺度和和无限外尺度的条件下高斯光束的对数光强起伏方差为 , , ? Ω , , , Λ, , ,,,,,,,, ηη ,,, ,,,,,,, ,, ,:,,,,Θ，ΛΩ,,,;,，,, σ,,, σ, ,Θ× ,,, , , ξξξξηξη ,, ,,,,: :Ω, ，Λ, ?， Λ, Ω, ,?η , ,,。如果在几何光学近似下,,，，, Ω, , ,,,,在式中如果对保留的积分采取进行近似计算则等式变为 , , ,, , , , ,, ΩΛ , , , η ,,, ,,,, ,, ,:,,,×， Θ, Θ,σ σ, ,,, ,,,,,,,,,,,,,, Ω, ，Λ, ,:,,:, ，, ,Θ,Λ, ，Ω, η,此时 , ,,, , , , ,,,, ,,, , , Θ, ， Θ ,σ ,σ, ,, , , , ,, ,, ,,,,,η ,,,:,,, ， σ, , 。而式中的表示高斯波束的方差,,:, !,σ ,,按照同样的思路可以推出小尺度条件下对数光强起伏方差为 , , ,,, , ,?,, ,,,,,,,Θσ,,! , ,ηηξ ,,,,,,,:,;,, ,,,σ, , ,σ ! ,! ,,, η ηξ ,,,,,,, : : ??Λ, ，Ω, ,:,,: ，，，ΛΩ!, , ! η ηη ,,,, ,孔径平均对有效信噪比的改善效果存在一定的差异具 ,,,。中,得到高斯波束下的光强起伏方差然 ,,σ,,,!, , ,,体情况如下在 弱 湍 流 条 件 下 和:,:,,, σ, σ,，，后将 所 得结果代入孔 径 平均因 子 的定 义 式 , ,,, , ,,,,,有效信噪比随孔径尺寸的增加上升的较快说 :,,,,,,,,,,中 就可以得到高斯波束下的孔径平均 ,: σ ，，σ,明接收孔径对系统性能的改善效果明显在强湍流条件 ,。,,因子即为式中用到孔径平均效应模型 , ,, ,,,下和有效信噪比随孔径尺寸的 ,,,, ,,,, ,,σσ， ， 仿真与结果分析 , ,增加变化相对较慢明显低于弱湍流条件下的有效信噪 ,,比说明此时接收孔径对系统性能的改善不是很明显 为了更加直观地看出孔径平均效应对大气湍流的 ,抑制效果分别在不同湍流强度条件下研究有效信噪比 。必须通过其他方式来抑制大气湍流 。 随孔径尺寸的变化关系本仿真实验所采用的参数如 结 论,,。表仿真结果如图所示所示, , 表 ,仿真实验参数本文结合实际首先建立了高斯波束条件下有效信, ,噪比模型并针对模型中出现的孔径平均因子模型进行 量含义值 ,,了详细的讨论在理论研究的基础上最后通过仿真实 传输距离 ， ,，,,验对比分析了不同湍流强度下孔径平均效应对有效信 通信波长 ,,,:,λ ,,噪比的改善效果结果表明孔径平均效应可以大幅度 发射功率 , ,,: ,,,地提高有效信噪比进而改善无线光通信系统的性能指 ,标说明采用大孔径接收装置是抑制大气湍流的有效方 光束束腰 ,,, ,,: ,,法同时还发现随着湍流强度的逐渐增强有效信噪比 发散角 , ,,,,,,,,,,,, θ,的值逐渐下降所以必须通过采取其他 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 来抑制强湍 等效噪声温度 ,,::，。流对无线光通信系统造成的影响 负载阻抗, ，,:Ω , 带宽 ,,:，, 参 考 文 献 ,, ,,,,柯熙政席晓莉无线激光 通 信 概 论北 京北 京 邮 电 大 ,,,, 学出版社, ,::,, ,,,:，,,，,,，，,,;,，,,;～;,,;,,:::,,:,,,,,,，,,,,,,, ,,, ,,, ～:,,～～,～,,: ，,,,:,,,,,,;,,;,,,,;,;,,,,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,: ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,，,,，,,，:,，，，,,, ，，:,，， : ,,,～;,,,; ，，, ,:,;,,:::,,:,,:,,,;～:～,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, , ,,,,, :～,～, ，,,,,,,:, ,,,;,;,,,;:,,,,;,,;,,,,,,,::: ,,, ,: ,,,,:,, 有效信噪比随孔径尺寸的变化 图,,,,,,，,,，,,，:,，，，,,, ，,，,,;,;,, :,,:, ，，,,,,,,, ,,,, , ,,,,,,， :，,～,:～～,,,,:;,,;,～,,:,,,,,,，,,,,,, ,从图 中可以看出, ,, ,,,,, ,;;,,,;,,,,,,,,,随着孔径尺寸的增加有效信噪比 逐渐 ,,，,;,,,, ,,,,，,,，,, ， :,，，，，，,, , ，，:,，， : ,,，,,;, ,,变大说明在接收到的光电流中有用信号所占的比例 ,,,,,,,,,,;,,:,,:,～,:,:,,,;,～,,， ,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,, 逐渐增大而噪声比例由于孔径平均的原因逐渐下降,::,，,,;;,,;,,,,,,,,,,,,,::,, ,从这一结论可以看出孔径平均可以有效地抑制大气湍 ,,,,，，， ,:,,, ,，,,,,,:～,:,:,,,,;,,,,,;,,;，,,,,! ,流对无线光通信的影响进而可以大幅度提高通信系统 ,,,:,，，:～, ,,,;,:,,，,:, !,,,,,