专利名称：伪部分相干光束大气湍流传输闪烁特性测试系统与方法
技术领域：
本发明属于大气信道中的激光信号传输与探测领域，涉及一种伪部分相干光束大气湍流传输闪烁特性 测试系统与方法。
背景技术：
大气湍流造成激光信号的光强发生闪烁，导致大气信道激光通信系统的性能降低。已有的研究结果表明，降低激光的初始空间相干度能够有效地抑制大气湍流导致的光强闪烁，提高大气信道激光通信系统的性能。为了控制激光的初始空间相干度，在实际应用中，通常使用随机相位屏对激光的波前相位进行调制，经随机相位屏调制后的激光束被DavidVoelz和Kevin Fitzhenry称为伪部分相干光束(见2004年的SPIE会议论文集第5550卷第218 224页)。伪部分相干光束实际上并非真正意义上的部分相干光束，它在瞬态上仍然是相干的。为了获得光强闪烁抑制效果，要求在光电探测器的积分时间之内，用多个不同的随机相位屏调制激光的波前相位，光电探测器实际探测出的光强闪烁方差依赖于光电探测器的积分时间长度与随机相位屏的变化时间间隔之比。在本发明的描述中，将光电探测器的积分时间长度与随机相位屏的变化时间间隔之比称为伪部分相干光束的相对调制频率。理论上，伪部分相干光束的相对调制频率越高，光电探测器实际探测出的光强闪烁方差越小，但二者并非是简单的线性关系。当前，用于实现随机相位屏功能的器件有旋转散光器和液晶空间光调制器。由于液晶空间光调制器便于控制，其在实际中得到广泛应用。液晶空间光调制器的成本与其支持的最大工作频率(即液晶空间光调制器每秒能显示的最大随机相位屏个数)成正比。随机相位屏的最小变化时间间隔直接取决于液晶空间光调制器支持的最大工作频率。对于大气信道激光通信应用而言，通信速率一般在若干Mbps以上，每个通信码元所占的时间长度非常短，如果使用伪部分相干光束来抑制光强闪烁，光电探测器的积分时间也非常短。为了保证一定的伪部分相干光束的相对调制频率，要求液晶空间光调制器能支持较大的工作频率。如果能够知道伪部分相干光束的相对调制频率与光电探测器实际探测出的光强闪烁方差的依赖关系，就可以根据系统的设计指标要求，对伪部分相干光束的相对调制频率进行优化设计，从而降低液晶空间光调制器的成本。此外，为了便于与相干激光大气湍流传输进行对比分析，也需要同步测量相干激光大气湍流传输的光强闪烁方差。由于实际大气湍流的时变特性，需要保证相干激光与伪部分相干光束的传输信道的大气湍流瞬态特性是相同的。本发明通过对收发光路进行适当的设计，使相干激光和伪部分相干光束同时在相同的空间信道上传输，以此来解决这一问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种伪部分相干光束大气湍流传输闪烁特性测试系统与方法。伪部分相干光束大气湍流传输闪烁特性测试系统由光束发射子系统和光束接收与探测子系统组成。如图I所示，光束发射子系统包括激光器101、凸透镜102、凸透镜103、液晶空间光调制器104、凸透镜105、凸透镜106、激光器107、凸透镜108、凸透镜109、半反半透分光片110、光学发射天线111、液晶空间光调制器驱动模块112和控制计算机113。如图2所示，光束接收与探测子系统包括光学接收天线201、凸透镜202、凸透镜203、半反半透分光片204、聚焦透镜组205、光电探测器206、聚焦透镜组207、光电探测器208、数据采集卡209、数据采集卡210和数据处理计算机211。激光器101发射的空间相干光信号经凸透镜102和凸透镜103变换后，入射到液晶空间光调制器104上，从液晶空间光调制器104透射过去的光信号经凸透镜105和凸透镜106变换后入射到半反半透分光片110上，并从半反半透分光片110上透射 过去，进入光学发射天线111 ;控制计算机113生成随机相位屏控制信号，再通过液晶空间光调制器驱动模块112输出给液晶空间光调制器104 ;激光器107发射的空间相干光信号经凸透镜108和凸透镜109变换后入射到半反半透分光片110上，并经半反半透分光片110反射，进入光学发射天线111 ;光学发射天线111将从其输入端入射的光信号发射到大气信道中。通过适当地设计凸透镜109和凸透镜106的参数，使从二者出射的光信号的光束直径相同。通过适当地设计半反半透分光片110的参数，使从其反射和透射的光信号在空间上相互重叠。光学接收天线201收到的光信号经凸透镜202和凸透镜203变换后入射到半反半透分光片204上，其中一种波长的光信号被半反半透分光片204反射后经聚焦透镜组207入射到光电探测器208上，另一种波长的光信号从半反半透分光片204透射过去后经聚焦透镜组205入射到光电探测器206上；光电探测器208的输出信号通过数据采集卡209输入到数据处理计算机211中，光电探测器206的输出信号通过数据采集卡210输入到数据处理计算机211中。光电探测器206和光电探测器208选用高带宽雪崩光电二极管探测器APD，激光器101和激光器107输出不同波长的空间相干光信号。光电探测器208探测的光信号为激光器101发射的光信号，光电探测器206探测的光信号为激光器107发射的光信号。伪部分相干光束大气湍流传输闪烁特性测试方法的具体实现方式如下使激光器101和激光器107处于工作状态,输出光信号；控制计算机113每间隔时间T1就生成一个新的随机相位屏控制信号，并通过液晶空间光调制器驱动模块112输出给液晶空间光调制器104，以实现对入射到液晶空间光调制器104上的光信号的波前相位的调制。数据处理计算机211通过数据采集卡209每间隔时间T2就读取一次光电探测器208探测到的光信号，并将读取的数据保存在计算机文件AOOl中；数据处理计算机211通过数据采集卡210每间隔时间T2就读取一次光电探测器206探测到的光信号，并将读取的数据保存在文件A002中。在本发明的系统和方法中，T1 = T2。在激光信号传输与探测的同时，使用闪烁仪同步测量从光束发射子系统所在位置到光束接收与探测子系统所在位置的路径平均大气折射率结构常数，并将不同时刻的路径平均大气折射率结构常数测量值保存在文件Α003中。将文件AOOl中的数据按保存的时间先后顺序，以N1个数据为一组进行分组，N1彡128 ;对文件AOOl中的数据的每一个分组Α004，做如下计算StepAOOl :设置正整数变量j的值；StepA002 :令变量 S1 = O, m = O ;StepA003 :如果m+j彡N1，则次=& + m+k，dm+k表示分组A004的以保存时间先后为序的第m+k个数据，否则转Step005 ；StepA004 m = m+j，转 Step003 ；StepA005 =A1 = S1Zm ；StepA006 :令变量 S2 = 0，m = 0 ;StepA007 :如果
权利要求
1.伪部分相干光束大气湍流传输闪烁特性测试系统与方法，其特征在于，系统结构和实施方法如下 伪部分相干光束大气瑞流传输闪烁特性测试系统由光束发射子系统和光束接收与探测子系统组成；光束发射子系统包括激光器101、凸透镜102、凸透镜103、液晶空间光调制器104、凸透镜105、凸透镜106、激光器107、凸透镜108、凸透镜109、半反半透分光片110、光学发射天线111、液晶空间光调制器驱动模块112和控制计算机113 ;光束接收与探测子系统包括光学接收天线201、凸透镜202、凸透镜203、半反半透分光片204、聚焦透镜组205、光电探测器206、聚焦透镜组207、光电探测器208、数据采集卡209、数据采集卡210和数据处理计算机211 ;激光器101发射的空间相干光信号经凸透镜102和凸透镜103变换后，入射到液晶空间光调制器104上，从液晶空间光调制器104透射过去的光信号经凸透镜105和凸透镜106变换后入射到半反半透分光片110上，并从半反半透分光片110上透射过去，进入光学发射天线111 ;控制计算机113生成随机相位屏控制信号，再通过液晶空间光调制器驱动模块112输出给液晶空间光调制器104 ;激光器107发射的空间相干光信号经凸透镜108和凸透镜109变换后入射到半反半透分光片110上，并经半反半透分光片110反射，进入光学发射天线111 ;光学发射天线111将从其输入端入射的光信号发射到大气信道中； 通过适当地设计凸透镜109和凸透镜106的参数，使从二者出射的光信号的光束直径相同；通过适当地设计半反半透分光片110的参数，使从其反射和透射的光信号在空间上相互重叠；光学接收天线201收到的光信号经凸透镜202和凸透镜203变换后入射到半反半透分光片204上，其中一种波长的光信号被半反半透分光片204反射后经聚焦透镜组207入射到光电探测器208上，另一种波长的光信号从半反半透分光片204透射过去后经聚焦透镜组205入射到光电探测器206上；光电探测器208的输出信号通过数据采集卡209输入到数据处理计算机211中，光电探测器206的输出信号通过数据采集卡210输入到数据处理计算机211中；光电探测器206和光电探测器208选用高带宽雪崩光电二极管探测器APD，激光器101和激光器107输出不同波长的空间相干光信号；光电探测器208探测的光信号为激光器101发射的光信号，光电探测器206探测的光信号为激光器107发射的光信号；伪部分相干光束大气湍流传输闪烁特性测试方法的具体实现方式如下 使激光器101和激光器107处于工作状态,输出光信号；控制计算机113每间隔时间T1就生成一个新的随机相位屏控制信号，并通过液晶空间光调制器驱动模块112输出给液晶空间光调制器104，以实现对入射到液晶空间光调制器104上的光信号的波前相位的调制；数据处理计算机211通过数据采集卡209每间隔时间T2就读取一次光电探测器208探测到的光信号，并将读取的数据保存在计算机文件AOOl中；数据处理计算机211通过数据采集卡210每间隔时间T2就读取一次光电探测器206探测到的光信号，并将读取的数据保存在文件A002中；在本发明的系统和方法中，T1 = T2 ； 在激光信号传输与探测的同时，使用闪烁仪同步测量从光束发射子系统所在位置到光束接收与探测子系统所在位置的路径平均大气折射率结构常数，并将不同时刻的路径平均大气折射率结构常数测量值保存在文件A003中； 将文件AOOl中的数据按保存的时间先后顺序，以N1个数据为一组进行分组，N1 ^ 128 ；对文件AOOl中的数据的每一个分组A004，做如下计算 StepAOOl :设置正整数变量j的值；StepA002 :令变量 S1 = 0，m = O ; StepA003 :如果m+j≤N1，则
全文摘要
本发明公开一种伪部分相干光束大气湍流传输闪烁特性测试系统与方法，属于大气信道中的激光信号传输与探测技术领域。测试系统由光束发射子系统和光束接收与探测子系统组成，通过使用不同的方差统计计算参数，实现了不同探测器积分时间条件下的伪部分相干光束的大气湍流传输闪烁方差的计算。本发明的系统与方法能同步测量出相干激光在大气湍流中传输时的光强闪烁方差，及其与实际的大气折射率结构常数值的对应关系。利用本发明的系统与方法所测试出的结果有助于对使用伪部分相干光束来抑制大气湍流导致的光强闪烁的应用系统进行优化设计。
文档编号H04B10/08GK102739314SQ20121023266
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月6日 优先权日2012年7月6日
发明者佟首峰, 娄岩, 杨华民, 范静涛, 蒋振刚, 陈纯毅 申请人:长春理工大学