大气湍流中空间光至单模光纤耦合的跟踪算法

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1、!第"#卷!第$期强激光与粒子束%&’("#，)&($!!*++,年$月-./-01234567346)80649.:53;36<77=>(，*++,!文章编号：!"++"?@A**（*++,）+$?"@,+?+B!大气湍流中空间光至单模光纤耦合的跟踪算法向劲松，!么周石，!胡!渝（电子科技大学物理电子学院，成都,"++B@）!!摘!要：!通过模拟湍流波前的振幅起伏及相位起伏，研究了采用::8探测器的湍流波前倾斜校正系统的空间光到单模光纤耦合功率的衰落特性，对::8图像的跟踪算法进行了研究。仿真结果

2、表明，在接收孔径直径与CDE=F参数的比值较大时，采用质心跟踪算法的倾斜校正系统的性能很差，耦合光功率会产生严重衰落。提出了一种高斯模板匹配的倾斜校正跟踪算法，在湍流较强时，可以有效地降低耦合光功率的衰落深度，并且可以避免采用质心算法可能出现的大孔径接收性能低于小孔径的不利情况。!!关键词：!无线光通信；!大气湍流；!光耦合；!信号衰落；!::8探测器；!跟踪算法!!中图分类号：!9)$*$("!!!!文献标识码：!6!!无线光通信具有通信速率高、结构简单、组网灵活等优点，特别是在突发事故造成通信中

3、断或通信阻塞下的临时通信，以及在跨江、跨河等不易采用有线连接等情况下，无线光通信具有重要价值。在这些通信场合中直接将远距离传输来的激光束耦合进单模光纤，可以避免复杂的光?电?光的转换，具有数据透明传输、易于与［"］光纤网络融合等优点。无线光通信技术的领先厂商8&GEHE&H5IJ=DK&G公司开发了采用光纤耦合的无线光［*］端机。但这种无线光通信系统必然受到大气湍流的影响，湍流引起的光场振幅起伏会使接收孔径接收到的光强起伏（闪烁），另外湍流引起的波前相位起伏会使光场的空间相干性退化，使空间光到单模光

4、纤的耦合功［A?B］率降低并产生起伏，这些起伏可能导致突发性通信错误，甚至通信中断。采用自适应光学技术纠正畸变的［,］湍流波前，可以有效地提高耦合效率。但自适应光学系统比较复杂，成本高，在许多情况下，通过一快速倾斜镜（C7<）进行简单的湍流波前倾斜校正就可获得较好的性能。本文通过模拟湍流波前，分析了采用::8探测器的波前倾斜校正系统的空间光到单模光纤耦合功率的衰落特性，并提出了一种采用高斯模板匹配的跟踪算法，在接收孔径直径与CDE=F参数的比值较大时，这种算法的性能明显优于质心跟踪算法。!"大气湍流

5、及波前模拟!!图"为空间光到单模光纤耦合示意图。单模光纤放在耦合光学系统的焦面上，采用::8作为位置传感器，探测湍流的波前倾斜量。用一快速倾斜镜进行波前倾斜校正，使耦合进单模光纤中的光功率最大，这种结构可同时克服接收孔径对准误差的影响。图中!R为耦合光学系统的等效焦距；!K为::8成像系统的等效焦距；"I为接收孔径所接收到的光功率；"R为耦合进单模光纤中的光功率；"K为::8探测器所接收的光功率。!!设平均入射光强为#+，在存在大气湍流时，接收孔径平面上点（$I，%I）处的入射光场复振幅可表示为CE

6、L("!7KM=G=&N&>OEKI’K&P>’EHLJQJO=G!&（I$I，%I）’!#+=S>［（!$I，%I）(E"（$I，%I）］（"）图"!耦合光学系统示意图式中：!，"分别表示光波波前的对数振幅起伏及相位［T］起伏。相位起伏"的结构函数为*B-A)（"*）’〈［"（*"）+"（**）］〉’,,##（*-.+）（*）!收稿日期：*++B?"+?*#；!!修订日期：*++,?+,?*+作者简介：向劲松（"$TB—），男，电子科技大学物理电子学院博士研究生，主要从事空间光通信的研究；SEIH

7、LUJVJ&MP(K&G。第<期向劲松等：大气湍流中空间光至单模光纤耦合的跟踪算法!*;!式中：!为接收孔径平面上两点!!与!"之间的距离；"#为$%&’(参数。对于在路径均匀湍流中传播的球面波，［)］$%&’(参数为("",)+*+),"##［#$*"+%&’!（!)(）(!］（+）#"式中：&’为折射率结构常数；%-"!."，"为激光波长，这里取"-!/,,"0；(为激光传播距离。具有结构函数［4］为式（"）形式的湍流波前相位可通过1’%2&3’多项式模拟。55根据6789:理论，弱湍下对数振幅

8、起伏#服从高斯分布，在路径均匀湍流中传播的球面波的对数振幅方差""4);!!);［<］$+-#$!"*&’%(，协方差为=("""",（+!）#〈［（#!!）*#"］［（#!"）*#"］〉#*!%!-%（’-）(-!>（#!-!)(）?&2［-!（(*!）（)"%(）(!］（*）##"@!!)+"式中：%（’-）-#$#++&’-，为湍流功率谱，-为空间波数；#"为对数振幅起伏#的平均值，与对数振幅方差$+"的关系为#"-@$+。（（#!）@#"）为零均值、协方差函数