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引用本文:

冯阳,郧建平,单欣,等:Non-kolmogorov湍流下到达角分析的模拟实验 [J]. 光通信技术,2018,42(11):36-40

Non-kolmogorov湍流下到达角分析的模拟实验

冯 阳,郧建平*,单 欣
( 武汉大学 电子信息学院,武汉 430072)

摘要:为了分析Non-kolmogorov湍流下的到达角,利用液晶空间光调制器设计了1km无线光通信模拟实验,研究了Non-kolmogorov湍流对到达角概率密度分布、到达角起伏方差和到达角时间频谱的影响。实验结果表明:湍流强度变大时,到达角起伏变大且到达角概率密度分布逐渐偏离正态分布,到达角起伏方差与湍流模型的关系也从开始的正增长逐渐变成负增长;到达角时间频谱的高频段幂律与湍流模型幂律成正增长。实验结果与理论基本一致。
关键词:Non-kolmogorov模型;大气湍流;液晶空间光调制器;到达角起伏;时间频谱
中图分类号:TN92 文献标识码:A 文章编号:1002-5561(2018)11-0036-05
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2018.11.009

0 引言
       光束在大气传输时受湍流影响,振幅和相位发生变化,造成接收端光斑畸变,影响通信系统可靠性[1]。因此,对经过大气湍流的光束传播特性的研究显得尤为重要。过去主要以Kolmogorov模型开展对湍流影响的研究,但近些年有研究测量发现对流层顶层和平流层的湍流场特性偏离Kolmogrov湍流统计规律[2],一些理论研究也证明了这一点[3,4]。Blend将这种湍流定义为Non-Kolmogorov湍流。Rao等人从理论上分析Non-Kolmogorov湍流特性,推导了相位起伏的时间结构函数与空间结构函数[5],Du等人和Tan等人建立了光束漂移方差、到达角起伏的理论模型并推导了解析表达式[6,7];还有一些研究在理论和仿真上分别从链路方式、接收口径和湍流外尺度等角度分析了湍流对光强闪烁、到达角起伏和通信误码率的影响[8,9]。对到达角起伏的研究主要集中在理论分析和仿真研究,室内模拟实验很少,且集中在对到达角起伏的影响,对到达角时间频谱的影响研究也很少。段梦云等人研究了Kolmogorov湍流对到达角起伏方差的影响[10];Toselli等人和 Shan等人进行了基于液晶空间光调制器的Non-Kolmogorov湍流实验,但只分析了到达角起伏的影响,不够深入[11,12]。有文献初步研究了各向异性湍流下到达角起伏时间频谱的情况,采用的是湍流池模拟,但其不足是难以掌控湍流的实验条件[13]。因此,本文采用Non-Kolmogorov模型研究大气湍流对无线光通信的影响,基于液晶空间光调制器(LC-SLM)设计室内光束湍流远场传输模拟系统。

4 结束语
       本文利用液晶空间光调制器设计了1km无线光通信模拟实验,选取了5组不同湍流模型和16组不同湍流强度的数据,研究了Non-kolmogorov湍流对到达角概率密度分布、到达角起伏方差和到达角时间频谱的影响,并将实验结果与理论对比,分析了差异的误差来源。结果表明:到达角起伏主要受湍流强度的影响,湍流越强到达角起伏越大,同时到达角密度分布越偏离正态分布,湍流模型对到达角概率密度分布也有一定影响;到达角起伏方差受湍流强度影响较大,湍流越强,其方差变化越大,而湍流模型对到达角的影响随湍流强度的减弱从单调递增逐渐过渡为单调递减关系;到达角时间频率谱受湍流模型的影响,其高频段下降幂律会发生变化,且呈现逐渐增加的趋势。
       通过实验结果与理论对比,证明了采用液晶空间光调制器模拟Non-Kolmogorov湍流的可行性与可靠性。改变相位屏的参数并加载在液晶上模拟不同湍流,能比较精确地仿真光束在大气湍流传输的情况,为空间光通信受大气湍流影响的研究打下了一定的基础。对于实验不足之处,可通过改善相位屏仿真算法和采用液晶级联方式使模拟实验更接近实际湍流。