双向大气湍流光传输信道的不对称度测量方法与流程

本发明涉及一种双向大气湍流光传输信道的不对称度测量方法，属于大气湍流信道光波传输技术领域。

背景技术：

自由空间光通信是当前无线通信领域中的一个研究热点。工作在地面附近的自由空间光通信系统会受到大气湍流的影响，通信光信号会产生强度起伏、相位起伏、到达角起伏等现象。为了分析大气湍流对光波传输的影响，需要获取实际大气湍流参数。折射率结构常数是大气湍流的一个关键参数，各种光波大气湍流传输统计量都依赖于该参数。大气湍流折射率结构常数尽管被称为常数，其具体取值却往往受空间位置影响。对于地面附近的水平传输路径，现有的大多数理论研究工作都假设大气湍流折射率结构常数的数值沿传输路径不发生变化。然而实际上，大气湍流折射率结构常数通常都会随路径空间位置的不同而发生变化。大气湍流折射率结构常数沿传输路径的分布对光波大气湍流传输统计量有重要影响。对于给定的传输路径，用A表示路径的一端，用B表示路径的另一端；如果大气湍流折射率结构常数沿传输路径发生变化，则相同的光波从A传到B的光波参数统计特性可能与从B传到A的光波参数统计特性之间存在差异；相反，如果大气湍流折射率结构常数沿传输路径不发生变化，则相同的光波从A传到B的光波参数统计特性与从B传到A的光波参数统计特性是一样的。对同一大气湍流传输路径，沿不同方向传输的光波的参数统计特性差异可以被看作是双向大气湍流光传输信道的不对称性。测量双向大气湍流光传输信道的不对称度有助于深入理解实际双向大气湍流光传输信道的统计性质，同时也可为在实际工程中对不同方向的光传输链路进行优化设计提供数据参考。

球面波经大气湍流传输后在接收面上的孔径平均到达角起伏方差可写为：

(1)

(2)

其中，D表示圆形接收孔径直径，L表示传输路径的长度，表示传输路径上z点处的大气湍流折射率结构常数；如图1所示，A对应z = 0，B对应z = L，式(1)表示从A传到B的孔径平均到达角起伏方差，式(2)表示从B传到A的孔径平均到达角起伏方差；这里假设传输路径两端使用相同大小的圆形接收孔径。

在大量光波大气湍流传输的室内模拟研究中，使用随机相位屏来模拟大气湍流影响，其中随机相位屏可以用液晶空间光调制器来产生。这种方法实际上是用离散的随机相位屏来等效表示连续的大气湍流。多数光波大气湍流传输室内模拟研究都只使用一个随机相位屏来模拟大气湍流。单个随机相位屏不方便用于分析双向大气湍流光传输信道的不对称性。本发明提出用两个随机相位屏来等效表示连续大气湍流，以球面波孔径平均到达角起伏方差作为等效光波参数统计量来确定随机相位屏的有效相干长度，用两个随机相位屏的相干长度之差的归一化值来度量双向大气湍流光传输信道的不对称度。如图1所示，对于长度为L的传输路径，两个随机相位屏分别被放置在z = L/4和z = 3L/4处，按照《Applied Optics》1995年34卷20期第4043页的方法，可以把式(1)和式(2)写为

(3)

(4)

其中，和与随机相位屏P_l和随机相位屏P_r的有效相干长度之间的关系为：

(5)

(6)

式中，k表示光波波数，表示随机相位屏P_l的有效相干长度，表示随机相位屏P_r的有效相干长度。由式(3)、式(4)、式(5)、式(6)可得

(7)

(8)

把式(7)和式(8)写成矩阵与向量的乘积形式可得：

(9)

注意：

(10)

求解式(9)可得

(11)

(12)

因此，只要测量出和，就可以计算出随机相位屏P_l和随机相位屏P_r的有效相干长度。定义双向大气湍流光传输信道的不对称度为

(13)

可以发现，如果双向大气湍流光传输信道是对称的，则，否则，且较大表明双向大气湍流光传输信道的不对称度也较大。在上述公式推导中，假设从A端传到B端的光波波长等于从B端传到A端的光波波长。在实际工程中，不同传输方向的光波的波长会存在微小的差异；由于光波大气湍流传输统计特性的波长依赖性很小，微小的波长差异对测量结果的影响可以忽略。在实际测量计算时，前面的公式中的波数k可以设置为，其中为A端传到B端的光波波长，为从B端传到A端的光波波长。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种双向大气湍流光传输信道的不对称度测量方法，通过测量双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差来获得双向大气湍流光传输信道的不对称度，据此可以分析实际双向大气湍流光传输信道的不同传输方向上的光波参数统计特性之间的差异，从而为双向自由空间光通信系统的不同传输方向链路的性能分析及优化设计提供实际数据支持。

本发明的技术方案是这样实现的：一种双向大气湍流光传输信道的不对称度测量方法,其特征在于：首先使用双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差测量系统来测量两个传输方向上的光波到达角起伏方差；然后根据两个传输方向上的到达角起伏方差计算位于z = L/4和z = 3L/4处的两个随机相位屏的有效相干长度，其中z轴与传输路径重合，L为传输路径的长度，传输路径的A端位于z = 0 处，传输路径的B端位于z = L处，位于z= L/4的随机相位屏被称为随机相位屏P_l，位于z = 3L/4的随机相位屏被称为随机相位屏P_r，用随机相位屏P_l和随机相位屏P_r来等效表示连续大气湍流；最后根据随机相位屏P_l和随机相位屏P_r的有效相干长度来计算出双向大气湍流光传输信道的不对称度。

双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差测量系统由第一激光器、第一单模光纤、第一透镜、第一分光器、第二透镜、第一CCD探测器、第二分光器、第三透镜、第二单模光纤、第二激光器、第四透镜、第二CCD探测器、第一计算机、第二计算机组成；第一激光器发出的光信号C001先进入第一单模光纤再经过第一透镜和第一分光器发射到大气湍流信道中，光信号C001传输到达另一端后经第二分光器和第四透镜入射到第二CCD探测器上；第二激光器发出的光信号C002先进入第二单模光纤再经过第三透镜和第二分光器发射到大气湍流信道中，光信号C002传输到达另一端后经第一分光器和第二透镜入射到第一CCD探测器上；第一CCD探测器的输出图像由第一计算机采集和处理，第二CCD探测器的输出图像由第二计算机采集和处理；第一CCD探测器位于第二透镜的焦点位置，第二CCD探测器位于第四透镜的焦点位置，第一单模光纤的出射端位于第一透镜的焦点位置，第二单模光纤的出射端位于第三透镜的焦点位置。把第一激光器所在的一端当作传输路径的A端，把第二激光器所在的一端当作传输路径的B端。光波经第一分光器到达第二透镜再透过第二透镜时的有效通光直径等于光波经第二分光器到达第四透镜再透过第四透镜时的有效通光直径，即传输路径的A端的等效圆形接收孔径直径等于传输路径的B端的等效圆形接收孔径直径。

所述的测量方法具体步骤如下：

步骤S101：使双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差测量系统正常工作；

步骤S102：用第一计算机采集第一CCD探测器输出的连续N帧光斑图像，计算各帧光斑图像的质心，并把质心保存到磁盘文件CRL中；与此同时，用第二计算机采集第二CCD探测器输出的连续N帧光斑图像，计算各帧光斑图像的质心，并把质心保存到磁盘文件CRR中；

步骤S103：针对磁盘文件CRL中保存的所有质心数据，每个质心数据由x方向的质心位置数据和y方向的质心位置数据组成，利用统计方法根据所有质心数据计算x方向的质心位置方差和y方向的质心位置方差，到达角起伏方差，f₂为第二透镜的焦长；

步骤S104：针对磁盘文件CRR中保存的所有质心数据，利用统计方法根据所有质心数据计算x方向的质心位置方差和y方向的质心位置方差，到达角起伏方差，f₄为第四透镜的焦长；

步骤S105：根据如下公式计算双向大气湍流光传输信道的不对称度为：

步骤S106：记录双向大气湍流光传输信道的不对称度值。

为了使传输的光波能被近似为球面波，要求，其中和分别为第一透镜和第三透镜的出射光束的半径，k为对应的光波波数。

本发明的积极效果是通过测量双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差来获得双向大气湍流光传输信道的不对称度，据此可以分析实际双向大气湍流光传输信道的不同传输方向上的光波参数统计特性之间的差异，从而为双向自由空间光通信系统的不同传输方向链路的性能分析及优化设计提供实际数据支持。另外，利用本方法获得的测试结果也有助于人们分析实际水平大气湍流光传输信道的湍流折射率结构常数沿传输路径的变化程度；获得的比较大说明湍流折射率结构常数沿传输路径的变化比较明显，即实际大气湍流光传输信道与湍流折射率结构常数沿水平传输路径不变的理论假设相差较大。

附图说明

图1为在传输路径上放置两个随机相位屏的示意图。

图2为双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差测量系统示意图。

图3为x方向和y方向与CCD图像的关系示意图。

具体实施方式

为了使本方法的特征和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例对本方法作进一步的描述。在本实施例中，激光器104选择波长为808 nm的半导体激光器和激光器205选择波长为793 nm的半导体激光器，这两个波长都属于800 nm波段，CCD探测器106和CCD探测器206的输出帧频设置为1000 Hz，计算机107和计算机207分别连续采集30000帧光斑图像来实现光斑质心位置方差统计计算。

一种双向大气湍流光传输信道的不对称度测量方法，首先使用如图2所示的双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差测量系统来测量两个传输方向上的光波到达角起伏方差；然后根据两个传输方向上的到达角起伏方差计算图1所示的位于z = L/4和z= 3L/4处的两个随机相位屏的有效相干长度，其中z轴与传输路径重合，L为传输路径的长度，传输路径的A端位于z = 0 处，传输路径的B端位于z = L处，位于z = L/4的随机相位屏被称为随机相位屏P_l，位于z = 3L/4的随机相位屏被称为随机相位屏P_r，用随机相位屏P_l和随机相位屏P_r来等效表示连续大气湍流；最后根据随机相位屏P_l和随机相位屏P_r的有效相干长度来计算出双向大气湍流光传输信道的不对称度。

双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差测量系统由第一激光器104、第一单模光纤101、第一透镜102、第一分光器103、第二透镜105、第一CCD探测器106、第二分光器201、第三透镜202、第二单模光纤203、第二激光器205、第四透镜204、第二CCD探测器206、第一计算机107、第二计算机207组成。第一激光器104发出的光信号C001先进入第一单模光纤101再经过第一透镜102和第一分光器103发射到大气湍流信道108中，光信号C001传输到达另一端后经第二分光器201和第四透镜204入射到第二CCD探测器206上。第二激光器205发出的光信号C002先进入第二单模光纤203再经过第三透镜202和第二分光器201发射到大气湍流信道108中，光信号C002传输到达另一端后经第一分光器103和第二透镜105入射到第一CCD探测器106上。第一CCD探测器106的输出图像由第一计算机107采集和处理，第二CCD探测器206的输出图像由第二计算机207采集和处理。第一CCD探测器106位于第二透镜105的焦点位置，第二CCD探测器206位于第四透镜204的焦点位置，第一单模光纤101的出射端位于第一透镜102的焦点位置，第二单模光纤203的出射端位于第三透镜202的焦点位置。把第一激光器104所在的一端当作传输路径的A端，把第二激光器205所在的一端当作传输路径的B端。光波经第一分光器103到达第二透镜105再透过第二透镜105时的有效通光直径等于光波经第二分光器201到达第四透镜204再透过第四透镜204时的有效通光直径，即传输路径的A端的等效圆形接收孔径直径等于传输路径的B端的等效圆形接收孔径直径。

本方法的实施步骤如下：

步骤S101：使双向大气湍流光传输信道的光波到达角起伏方差测量系统正常工作；

步骤S102：用第一计算机107采集第一CCD探测器106输出的连续N帧光斑图像，计算各帧光斑图像的质心，并把质心保存到磁盘文件CRL中；与此同时，用第二计算机207采集第二CCD探测器206输出的连续N帧光斑图像，计算各帧光斑图像的质心，并把质心保存到磁盘文件CRR中；

步骤S103：针对磁盘文件CRL中保存的所有质心数据，每个质心数据由x方向的质心位置数据和y方向的质心位置数据组成，x方向和y方向与CCD图像的关系如图3所示，利用统计方法根据所有质心数据计算x方向的质心位置方差和y方向的质心位置方差，到达角起伏方差，f₂为第二透镜105的焦长；

步骤S104：针对磁盘文件CRR中保存的所有质心数据，利用统计方法根据所有质心数据计算x方向的质心位置方差和y方向的质心位置方差，到达角起伏方差，f₄为第四透镜204的焦长；

步骤S105：根据如下公式计算双向大气湍流光传输信道的不对称度为：

步骤S106：记录双向大气湍流光传输信道的不对称度值。

为了使传输的光波可以被近似为球面波，要求且，其中和分别为第一透镜102和第三透镜202的出射光束的半径，k为对应的光波波数。步骤S102中的N设置为30000。