Page 28 - 网络电信2021年11月刊下

湍流大气对无线光通信影响分析及解决方案

元秀华 赵茗 赵彦立
华中科技大学武汉光电国家实验室光电子科学与工程学院

摘要：分析了湍流大气光传输特性，讨论了光信号闪烁对宽带光无线通信误码率的影响及解决
方案。从湍流大气的经典功率谱模型与修正功率谱模型出发，分析了 Rytov 指数与光场波长的变
化关系 , 讨论了其对传输光场强度起伏的影响，以及分别在球面波与平面波时的差异。从实验上模
拟考察了湍流大气对宽带光通信的影响，提出了一种新的从光链路上矫正波前畸变、减弱信号闪
烁进而降低通信系统误码率的技术方案。该方案基于遗传算法和无模型盲优化的方式，以 Zernike
多项式系数为向量，对波前畸变进行编码，根据畸变波前的 Zernike 多项式的系数实现波前重构。
其特点是没有预先测量波前相位畸变信息，而是采用施特列耳比作为遗传算法的适应度评判标准，
通过优化达到最佳的波前畸变补偿效果。分析结果表明，该方案对中等强度以下的湍流大气光传
输具有明显改善效果。
关键词：光无线通信；湍流大气；波前畸变

随着空间数据信息量的不断增加，空间光通信的带宽优 一、湍流大气经典统计特性描述及修正
势将使之成为今后星间通信和对地观测数据信息传输与交换 湍流大气随机变化，难以用统一模型描述。用现有的几种
的重要手段。因此，星地光通信链路特性研究尤为重要，而 湍流模型分析空间光通信系统，结果不尽相同。以下先分析几
大气链路特性是影响自由空间光通信的关键。大气介质对传 种经典湍流理论，并结合光传输特性对给予一定修正。
输光场产生吸收、散射以及衰减等一系列影响，而湍流大气 1.Kolmogorov湍流功率谱模型的修正
则使传输光场波前发生畸变，导致光束偏移、扩散和光信号 Andrews对经典湍流理论进行近似处理,在Hill数值模型基
闪烁，最终使通信系统性能下降。近些年，在通信系统光链 础上进行近似，得到耗散区内功率谱为：
路上补偿畸变波前减弱信号闪烁、从而改善通信系统性能的
技术方案受到关注。ThomasWeyrauch等在光学收发系统上采
[1]
用了自适应光学技术 ，有效地提高了光接收信号的信噪比，
降低了系统误码率。Bonora等采用数字信号处理及MEMS技术
矫正畸变波前 [2] ，PeterCrabtreea,CharlesWoodsa等提出了 公式1中：a 1 =1.802，a 2 =0.254，k l =3.3/l0。
[3
一种二进制后焦面补偿畸变波前的系统及其相关算法 ]，还 Kolmogorov模型中的谱指数α不是定值(一般α=11/3)，实
有一些从算法上研究补偿湍流大气波前畸变的工作 [4-6] ，也取 际上是随着高度变化有关的参量。因此，Kolmogorov功率谱应
[7]
得一定效果。文中从湍流大气统计特性出发，研究了湍流大 为 ：
气光通信链路特性及宽带自由空间光通信技术解决方案，侧
重于针对宽带空间光通信系统而提出的无波前传感器自适应 (2)式中：k为光波的空间波数；β(z)为通用折射率结构常
光学技术。 数(量纲为m 3-α )；A(α)是使折射率结构函数和其功率谱函数保

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