地星上行激光在大气湍流中的传输特性及其数值模拟

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1、分类号TN929．1密级重庆邮电大学硕士学位论文论文题目地星上行激光在大气湍流中的传输英文题目NumericalSimulationofAtmosphericTurbulentPropagationEffectsofLaserBeaminGround··to--SatelliteOpticalLink硕士研究生张孝雷指导教师向劲松副教授学科专业信号与信息处理论文提交日期2012年4月论文答辩日期2012年5月论文评阅人答辩委员会主席．随：鱼丛2012年箩月吖日独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和

2、致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖鱼E血太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：_亿戈勾签字日期：如f一年r月杉日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解．重麽整电太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权一重庞自E电太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后

3、适用本授权书)学位论文作者签名：名亿夕匈导师签名：翎砷枷签字日期：访l、年歹月厶iII签字日期：矽ft年5月碣B重庆邮电大学硕士论文摘要随着激光技术的日趋发展，世界各国越来越重视空间激光通信的研究，而大气湍流的存在严重限制了空间激光通信系统的性能。大气湍流会导致光束在传播过程中出现振幅和相位的随机波动，进而引起一系列大气湍流效应，包括强度的随机起伏，光束的展宽以及光束的漂移等等。目前多采用相位屏的数值模拟方法对大气湍流进行模拟，因而采用合适的相位屏模拟方法对激光在大气湍流中的传输特性进行研究具有十分重要的理论和实践意义。由于现阶段大气湍流相位屏模拟的不足，为了产生大且足够长

4、的相位屏对考虑时域特性的大气湍流进行研究，本文提出一种基于多点预测的相位协方差插值，方法产生湍流相位屏，由多个已知点的相位值对新插值点的相位值进行预测，推导出了插值点的预测矩阵及其残余方差的表达式，并且利用相位结构函数对相位屏的空间统计特性进行了验证，结果表明该方法产生的湍流相位屏与大气湍流的统计特性符合得较好，随着用于预测的已知点数的增加，模拟生成的湍流相位屏的精度增高，并可以进行连续插值生成无限长的湍流相位屏。接着，对一个波前倾斜校正的上行高斯光束，本文利用数值模拟方法对由湍流引起的闪烁指数以及辐照波动的概率密度分布进行了研究。结果表明，在发射光束直径较小时，模拟得到的

5、轴上光强的概率密度分布和对数正态分布的概率密度分布曲线符合较好；而在发射光束直径较大时，轴上光强的概率密度分布不是一般所认可的对数正态分布，而更接近于正态分布。最后本文研究了地星上行高斯光束在大气湍流中传输的时域特性。主要考虑由风速引起的大气湍流随时间的变化特性对激光束的影响，首先根据FFT谱反演法产生初始相位屏，并对其进行低频补偿；其次，根据本文提出的基于多点预测的相位协方差法对补偿后的初始相位屏进行插值扩屏，接着再利用多相位屏的方法模拟激光在整个大气湍流中的传输过程。最后根据模拟结果统计分析了轴上光强随时间变化的强度起伏特性、衰落特性以及光束质心的漂移特性。关键词：空间

6、激光通信，大气湍流，湍流相位屏，强度起伏重庆邮电大学硕士论文AbstractWiththeincreasingdevelopmentoflasertechnology,theworldpaymoreandmoreattentiontothestudyofspacelasercommunications，however,atmosphericturbulenceseverelylimitstheperformanceofspacelasercommunicationssystem．Atmosphericturbulencecouldcauserandomfluctuation

7、sofamplitudeandphaseinthetransmissionprocess，itwillbringaseriesofatmosphericturbulenceeffects，includingintensityfluctuations，beambroadeningandbeamwander．Atthepresentday,it’Scommontousephasescreentosimulateatmosphericturbulence．Thus，it’Sveryimportanttostudythen