無線光相干通信原理及應用

目錄
第1章 無線光相干通信概述 1
1.1 自由空間光通信基本概念 1
1.2 自由空間光通信發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 相干光檢測國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3
1.3.1 星間相干光檢測研究現(xiàn)狀 3
1.3.2 光纖通信相干光檢測研究現(xiàn)狀 7
1.3.3 自由空間相干探測通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 9
1.4 影響相干探測性能的因素 17
1.4.1 自由空間相干探測系統(tǒng)性能影響因素的研究現(xiàn)狀 17
1.4.2 部分相干光束相干探測系統(tǒng)影響因素的研究現(xiàn)狀 20
1.5 波前校正的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 20
1.5.1 大氣湍流補償技術研究現(xiàn)狀 21
1.5.2 波前校正技術的國外研究現(xiàn)狀 22
1.5.3 波前校正技術的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 22
參考文獻 24
第2章 相干光通信 38
2.1 相干光通信的基本原理 38
2.1.1 基本原理 38
2.1.2 零差探測 40
2.1.3 外差探測 41
2.1.4 調(diào)幅信號的外差探測 41
2.2 相干調(diào)制與解調(diào) 42
2.2.1 相干系統(tǒng)的光調(diào)制 42
2.2.2 相干解調(diào) 44
2.2.3 系統(tǒng)性能 47
2.3 影響檢測靈敏度的因素 48
2.3.1 相位噪聲 48
2.3.2 強度噪聲 48
2.3.3 偏振噪聲 49
2.3.4 相干光通信系統(tǒng)的關鍵技術 49
2.4 光外差檢測的空間相位條件 49
2.4.1 空間相位條件 49
2.4.2 光外差檢測的頻率條件 52
2.4.3 光外差檢測的偏振條件 53
2.5 零差探測與外差探測 53
2.5.1 零差相干探測 55
2.5.2 相干探測 56
2.6 相干探測系統(tǒng)組成 57
2.6.1 波前校正模塊 58
2.6.2 偏振控制模塊 61
2.6.3 激光器穩(wěn)頻模塊 62
2.6.4 平衡探測模塊 64
2.6.5 相干解調(diào)模塊 66
2.7 相干探測系統(tǒng)性能分析 66
2.7.1 相干探測系統(tǒng)信噪比及檢測靈敏度 66
2.7.2 理想情況下相干探測系統(tǒng)性能分析 70
2.7.3 光路對準誤差情況下相干探測系統(tǒng)性能分析 73
2.8 信噪比、誤碼率和探測靈敏度 78
2.8.1 直接探測與外差探測的信噪比 78
2.8.2 直接探測與外差探測的誤碼率 80
2.8.3 直接探測與外差探測的探測靈敏度分析 83
2.9 波前畸變對空間相干光通信的影響 85
2.9.1 波前畸變原理 85
2.9.2 波前畸變的影響 87
參考文獻 89
第3章 空間光——光纖耦合及光束控制 91
3.1 空間光-光纖耦合技術 91
3.1.1 理想條件下透鏡-單模光纖耦合 92
3.1.2 高斯光束耦合 97
3.2 弱湍流大氣中空間平面波-透鏡-單模光纖耦合 99
3.2.1 大氣湍流中光場分布及折射率功率譜 99
3.2.2 大氣湍流中透鏡耦合 104
3.2.3 大氣湍流中透鏡耦合光功率相對起伏方差 108
3.2.4 大氣湍流中透鏡陣列的空間光耦合 111
3.3 空間光耦合自動對準算法 115
3.3.1 空間光耦合自動對準概述 115
3.3.2 模擬退火算法 116
3.3.3 粒子群算法 122
3.4 基于馬卡天線的陣列光束控制 127
3.4.1 馬卡天線及存在的問題 127
3.4.2 基于馬卡天線的陣列高斯光束控制 128
3.4.3 大氣湍流中馬卡天線的耦合效率 137
參考文獻 140
第4章 光束偏振控制技術 144
4.1 光束偏振控制進展 144
4.1.1 偏振控制器的研究現(xiàn)狀 144
4.1.2 偏振控制算法的研究現(xiàn)狀 145
4.2 相干光通信系統(tǒng)與偏振控制 147
4.2.1 光偏振的表示 147
4.2.2 相干光通信系統(tǒng)的偏振控制 150
4.3 相干光通信偏振控制模型和控制算法 156
4.3.1 相干光通信系統(tǒng)的偏振控制模型 156
4.3.2 偏振控制中的模擬退火算法 157
4.3.3 粒子群優(yōu)化算法在偏振控制中的應用 161
4.3.4 SPO算法的設計以及在偏振控制中的應用 164
4.3.5 三種算法的比較 170
4.4 偏振控制器的無端復位 171
4.4.1 小步倒退復位法和直接復位法 171
4.4.2 直接復位方式的實驗 175
4.5 偏振控制的實驗 177
4.5.1 實驗裝置 177
4.5.2 偏振控制的外場實驗 177
參考文獻 182
第5章 雙平衡探測 184
5.1 國內(nèi)外發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 184
5.1.1 國外發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 184
5.1.2 國內(nèi)發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 186
5.2 雙平衡探測系統(tǒng)結(jié)構與原理 187
5.2.1 雙平衡探測技術中90±光混頻器的分類 188
5.2.2 平衡探測器的分類 194
5.2.3 雙平衡檢測原理 197
5.3 雙平衡探測技術的平衡失配分析 202
5.3.1 光混頻器的影響 202
5.3.2 平衡探測器的影響 207
5.4 雙平衡探測系統(tǒng)中共模抑制比 210
5.4.1 共模抑制比 210
5.4.2 信噪比 212
5.4.3 數(shù)值仿真 214
5.5 雙平衡探測系統(tǒng)Optisystem仿真 217
5.5.1 雙平衡探測系統(tǒng)仿真 217
5.5.2 功率失配對雙平衡探測信噪比的影響 219
5.5.3 時間失配對雙平衡探測信噪比的影響 221
參考文獻 222
第6章 波前校正系統(tǒng) 225
6.1 自適應光學系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 225
6.2 相干光通信中的自適應光學系統(tǒng) 227
6.2.1 自適應光學原理 227
6.2.2 波前傳感器 228
6.2.3 波前校正器的工作原理 230
6.3 系統(tǒng)誤差分析 231
6.3.1 自適應光學系統(tǒng)誤差分析 231
6.3.2 抑制系統(tǒng)誤差方法 232
6.4 波前控制器的實現(xiàn) 234
6.4.1 波前重構理論 234
6.4.2 變形鏡影響矩陣的測量 240
6.4.3 波前控制算法實現(xiàn) 242
6.5 波前畸變的校正 245
6.5.1 閉環(huán)控制參數(shù)調(diào)節(jié)過程分析 245
6.5.2 波前相位畸變對混頻效率的影響 246
6.5.3 對相干混頻效率的影響 248
6.6 實驗驗證 250
6.6.1 波前控制器的動態(tài)特性分析 250
6.6.2 波前畸變校正效果分析 252
參考文獻 260
第7章 無波前探測自適應光學校正 263
7.1 自適應光學基本原理 263
7.1.1 波前校正器 264
7.1.2 波前控制器 266
7.1.3 SPGD算法 267
7.2 SPGD算法對畸變高斯光束的波前校正 268
7.2.1 光傳輸方程與多相位屏法 268
7.2.2 高斯光束大氣湍流傳輸模擬 269
7.2.3 不同湍流強度下信號光波前校正 271
7.2.4 自適應光學技術對相干光通信系統(tǒng)性能的改善 272
7.3 實驗研究 274
7.3.1 SPGD算法對靜態(tài)波前畸變的校正 274
7.3.2 SPGD算法對外差探測相干光通信系統(tǒng)的波前校正 277
參考文獻 281
第8章 LC-SLM-R的空間相干光通信波前校正技術 282
8.1 液晶空間光調(diào)制器相位標定 282
8.1.1 LC-SLM相位標定 282
8.1.2 LC-SLM的結(jié)構 283
8.1.3 瓊斯矩陣分析LC-SLM的相位調(diào)制原理 284
8.2 LC-SLM的相位標定原理 290
8.2.1 干涉條紋移動法 290
8.2.2 干涉條紋移動法實驗原理 291
8.3 相位標定實驗 292
8.3.1 反射式空間光調(diào)制器相位標定實驗 292
8.3.2 最小二乘擬合 293
8.4 LC-SLM-R的空間相干光通信波前校正系統(tǒng) 295
8.4.1 LC-SLM-R波前畸變校正原理 295
8.4.2 波前校正系統(tǒng)基本組成 295
8.5 波前測量原理 297
8.5.1 橫向剪切干涉儀靜態(tài)波前測量 297
8.5.2 夏克-哈特曼波前傳感器實時波前測量原理 303
8.6 波前重構 304
8.6.1 Zernike多項式 304
8.6.2 基于Zernike多項式的波前重構 305
8.7 LC-SLM-R波前校正實驗 306
8.7.1 靜態(tài)波前校正實驗 306
8.7.2 外場實驗 313
參考文獻 316
第9章 受激布里淵散射波前畸變校正技術 319
9.1 非線性光學共軛技術 319
9.2 光學相位共軛技術補償激光波前畸變 320
9.3 受激布里淵散射理論 322
9.4 SBS相位共軛技術補償激光傳輸畸變數(shù)值分析 324
9.4.1 湍流強度的影響 325
9.4.2 取樣孔徑的影響 326
9.4.3 傳輸距離的影響 328
9.5 受激布里淵散射實驗研究 330
9.5.1 實驗裝置 330
9.5.2 SBS相位共軛鏡補償畸變系統(tǒng) 331
9.5.3 普通全反射鏡系統(tǒng) 332
參考文獻 334
第10章 光束模式對相干探測系統(tǒng)性能的影響 335
10.1 模式分解基本理論 335
10.1.1 非相干模分解數(shù)學模型 335
10.1.2 相干模分解 337
10.2 光束模式對相干探測系統(tǒng)性能的影響 339
10.2.1 大氣湍流條件下光束模式對相干探測系統(tǒng)影響的數(shù)學模型 339
10.2.2 光束模式對相干探測系統(tǒng)性能的影響 346
10.3 1.3km相干探測系統(tǒng)實驗結(jié)果分析 354
10.4 部分相干GSM光束通過湍流的光強分布 357
10.5 部分相干GSM光束通過湍流的模系數(shù)分布 358
10.6 湍流對光束模式的影響 359
10.6.1 光源參數(shù)對權重因子的影響 359
10.6.2 湍流參數(shù)對權重因子的影響 361
10.6.3 傳輸距離對權重因子的影響 362
10.7 湍流對歸一化M2因子的影響 362
10.7.1 光源參數(shù)和傳輸距離對歸一化M2因子的影響 363
10.7.2 大氣湍流對歸一化M2因子的影響 364
10.8 數(shù)值仿真 365
10.8.1 數(shù)值仿真光束模式的計算方法 365
10.8.2 傳輸距離對模式系數(shù)的影響 365
10.9 實驗研究 370
10.9.1 實驗原理 370
10.9.2 實驗結(jié)果 370
參考文獻 372