湍流大氣信道中的激光脈沖傳輸時(shí)間展寬及信道傳遞函數(shù)測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種湍流大氣信道中的激光脈沖傳輸時(shí)間展寬及信道傳遞函數(shù)測(cè)量方法，屬于無(wú)線激光通信【技術(shù)領(lǐng)域】。本方法將窄帶高斯光脈沖序列發(fā)射到湍流大氣信道中傳輸，在接收端對(duì)光脈沖序列進(jìn)行探測(cè)和波形采樣，并將采樣數(shù)據(jù)保存為文件；在對(duì)脈沖波形采樣數(shù)據(jù)求系綜平均的基礎(chǔ)上，用數(shù)據(jù)擬合方法解算出系綜平均高斯脈沖波形參數(shù)，進(jìn)而求出湍流大氣信道傳遞函數(shù)。利用本方法可得到湍流大氣信道傳遞函數(shù)的解析表達(dá)式，這使得基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)湍流大氣信道特性進(jìn)行理論分析變得更加容易。
【專利說(shuō)明】湍流大氣信道中的激光脈沖傳輸時(shí)間展寬及信道傳遞函數(shù)測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)線激光通信【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種湍流大氣信道中的激光脈沖傳輸時(shí)間展寬及信道傳遞函數(shù)測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)線激光通信具有保密性好、部署機(jī)動(dòng)靈活、無(wú)需頻帶申請(qǐng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到人們的普遍關(guān)注。當(dāng)無(wú)線激光通信系統(tǒng)工作在地球大氣環(huán)境中時(shí)，地球大氣會(huì)造成激光脈沖在時(shí)間上出現(xiàn)展寬。對(duì)于使用強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)方式的無(wú)線激光通信系統(tǒng)，通信激光脈沖時(shí)間展寬會(huì)引起碼間串?dāng)_，造成通信系統(tǒng)性能降低。因此對(duì)實(shí)際湍流大氣信道中的激光脈沖時(shí)間展寬進(jìn)行測(cè)量，以此為依據(jù)進(jìn)而獲得湍流大氣信道傳遞函數(shù)，對(duì)大氣環(huán)境中的無(wú)線激光通信系統(tǒng)性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。
[0003]發(fā)表在《Applied Optics》37卷33期7655-7660頁(yè)和SPIE會(huì)議論文集3266卷231-240頁(yè)的兩篇論文通過(guò)理論建模研究指出:窄帶高斯光脈沖信號(hào)經(jīng)弱湍流大氣信道傳輸后，在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)條件下接收機(jī)收到的系綜平均光脈沖信號(hào)在時(shí)間上都保持高斯函數(shù)形狀，只是系綜平均光脈沖信號(hào)的時(shí)間寬度變得更寬，即發(fā)生了脈沖時(shí)間展寬。發(fā)表在《Optics Express)) 20卷7期7749-7757頁(yè)的論文發(fā)現(xiàn),窄帶高斯光脈沖信號(hào)經(jīng)強(qiáng)瑞流大氣信道傳輸后，接收機(jī)收到的系綜平均光脈沖信號(hào)在時(shí)間上也保持高斯函數(shù)形狀。對(duì)于實(shí)際無(wú)線激光通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，接收機(jī)收到的系綜平均光脈沖時(shí)間寬度與發(fā)射機(jī)發(fā)射的光脈沖時(shí)間寬度之比，能夠從統(tǒng)計(jì)上定量地描述光脈沖經(jīng)湍流大氣信道傳輸后發(fā)生的時(shí)間展寬程度，是一個(gè)重要的物理量。對(duì)于高斯光脈沖來(lái)說(shuō)，可以定義高斯光脈沖經(jīng)湍流大氣信道傳輸后的系綜平均時(shí)間展寬比為接收機(jī)收到的高斯光脈沖系綜平均時(shí)間寬度與發(fā)射機(jī)發(fā)射的高斯光脈沖時(shí)間寬度之比。在數(shù)學(xué)上，發(fā)射機(jī)發(fā)射的光脈沖可表示為Pi(t)=Vi(t)exp(-iω0t), Vi (t)表示脈沖時(shí)間形狀，ωo表示光載波角頻率，接收機(jī)收到的系綜平均光脈沖可表示為po(t)=Vo(t)exp(-iωt),Vo(t)表示系綜平均脈沖時(shí)間形狀。從線性系統(tǒng)的角度，可得Po(ω)=H(ω)Pi(ω), Po(ω)為Po(t)的傅里葉變換，Pi(ω)為Pi (t)的傅里葉變換，Η(ω)表示湍流大氣信道的傳遞函數(shù)。由于發(fā)射機(jī)發(fā)射的光脈沖的峰值和接收機(jī)收到的系綜平均光脈沖的峰值通常是不同的，因此Η(ω)包含一個(gè)不依賴于角頻率ω的比例系數(shù)Cko比例系數(shù)Ck只表征了光脈沖經(jīng)湍流大氣信道傳輸所受的衰減情況，其受激光束散角、光束半徑、傳輸距離等多種因素影響。實(shí)際上，在分析光脈沖湍流大氣傳輸時(shí)間展寬以及脈沖形狀變化時(shí)，令比例系數(shù)Ck為1也不會(huì)影響分析結(jié)果。因此，在測(cè)量湍流大氣信道的傳遞函數(shù)時(shí)，可不測(cè)比例系數(shù)ck。從前面的分析可知，只要知道湍流大氣信道的傳遞函數(shù)Η(ω)和發(fā)射機(jī)發(fā)射的光脈沖信號(hào)Pi (t)，即可求出poω)，進(jìn)而用逆傅里葉變換得到po(t)，在此基礎(chǔ)上就可分析湍流大氣信道對(duì)通信光脈沖傳輸產(chǎn)生的時(shí)間展寬和形狀變化影響。所以測(cè)量實(shí)際湍流大氣信道的傳遞函數(shù)非常有意義。由于高斯函數(shù)的傅里葉變換仍然是高斯函數(shù)，即vo(t)kexp(-t2/b2)的傅里葉變換為
【權(quán)利要求】
1.一種湍流大氣信道中的激光脈沖傳輸時(shí)間展寬及信道傳遞函數(shù)測(cè)量方法，其特征在于，所需的設(shè)備及實(shí)現(xiàn)步驟如下: 目的在于提供一種湍流大氣信道中的激光脈沖傳輸時(shí)間展寬及信道傳遞函數(shù)測(cè)量方法；本方法需要使用激光信號(hào)發(fā)射裝置和激光信號(hào)接收與探測(cè)裝置；激光信號(hào)發(fā)射裝置包括激光器101、信號(hào)發(fā)生器102、電光調(diào)制器103、光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)104 ;激光信號(hào)接收與探測(cè)裝置包括光學(xué)接收系統(tǒng)201、光電探測(cè)器202、示波器203 ;從激光器101發(fā)出的激光信號(hào)AOOl入射到電光調(diào)制器103的光信號(hào)輸入端；信號(hào)發(fā)生器102產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)A002傳送到電光調(diào)制器103的電信號(hào)輸入端；電光調(diào)制器103將電脈沖信號(hào)A002調(diào)制到激光信號(hào)AOOl上，調(diào)制后的激光信號(hào)A003再經(jīng)光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)104發(fā)射到湍流大氣信道中；調(diào)制后的激光信號(hào)A003經(jīng)湍流大氣信道傳輸后，通過(guò)光學(xué)接收系統(tǒng)201入射到光電探測(cè)器202上，光電探測(cè)器202的輸出電信號(hào)再傳送到示波器203的輸入端； 本方法的第一部分探測(cè)并記錄激光脈沖經(jīng)湍流大氣信道傳輸后的波形采樣數(shù)據(jù)，具體步驟如下: StepOOl:將激光信號(hào)發(fā)射裝置和激光信號(hào)接收與探測(cè)裝置分別置于湍流大氣信道的兩端；開(kāi)通激光器101,使其輸出連續(xù)激光信號(hào)；設(shè)置信號(hào)發(fā)生器102,使其輸出一電脈沖序列A004 ;在電脈沖序列A004中，各脈沖都為形狀相同的高斯脈沖，相鄰兩個(gè)脈沖的峰值的間隔時(shí)間為T(mén)，每個(gè)脈沖的時(shí)間寬度為τ，且相鄰兩個(gè)脈沖之間互不重疊；電光調(diào)制器103輸出的光脈沖序列Α005經(jīng)光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)104進(jìn)入瑞流大氣信道傳輸； St印002:使光學(xué)接收系統(tǒng)201和光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)104的光軸對(duì)準(zhǔn)，開(kāi)通示波器203，設(shè)置示波器203的采樣時(shí)間間隔At=T/M，M為一個(gè)正奇數(shù)；并用示波器203記錄光電探測(cè)器202探測(cè)到的脈沖序列波形采樣數(shù)據(jù)A005 ； 通過(guò)不斷重復(fù)StepOOl和Step002,可以記錄下大量的脈沖序列波形采樣數(shù)據(jù)A005 ;每執(zhí)行一次StepOOl和Step002可得到一組脈沖序列波形采樣數(shù)據(jù)A005，并將其保存為一個(gè)單獨(dú)的波形采樣文件；` 本方法的第二部分根據(jù)保存的所有波形采樣文件中的脈沖序列波形采樣數(shù)據(jù)A005，計(jì)算高斯脈沖經(jīng)湍流大氣信道傳輸后的平均時(shí)間展寬比，具體步驟如下: SteplOl:創(chuàng)建一個(gè)具有M個(gè)元素的數(shù)組INTP，并將數(shù)組INTP的每個(gè)元素都設(shè)置為O ;令NUM=O ;對(duì)本方法的第一部分中保存的所有波形采樣文件中的每個(gè)波形采樣文件FWjA行如下步驟: SteplOl-1:讀取波形采樣文件FW，將其中的脈沖序列波形采樣數(shù)據(jù)A005的采樣序列賦值給一個(gè)數(shù)組W，數(shù)組W的第i個(gè)元素表示為W[i]，i表示數(shù)組元素的編號(hào)，I < i ^Ν,Ν為采樣序列的采樣個(gè)數(shù)；數(shù)組W中的每個(gè)元素與一個(gè)特定的時(shí)刻對(duì)應(yīng)； St印101-2:令脈沖序列波形采樣數(shù)據(jù)Α005的采樣序列的第一個(gè)采樣對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為`0，則W[i]對(duì)應(yīng)的采樣對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為(1-1) At ;計(jì)算脈沖序列波形采樣數(shù)據(jù)A005中的第一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的波形采樣序列中的幅度值最大的采樣對(duì)應(yīng)的數(shù)組W的元素的編號(hào)j ;如果j-(M-1)/2 < 1，則令]_=」+皿;
St印 101-2-1:令 idx=j，n=l, NUM=NUM+1 ；
St印 101-2-2:令 INTP [n] =INTP [n] +W[ j- (M-1) /2+n-l]，INTP [n]表示數(shù)組 INTP 的第 η個(gè)元素；St印101-2-3:令n=n+l ;如果η < M，則轉(zhuǎn)步驟St印101-2-2，否則轉(zhuǎn)步驟St印101-2-4 ； St印101-2-4:如果idx+M+(M-l)/2 ( N，則令j=j+M，轉(zhuǎn)步驟St印101-2-5，否則轉(zhuǎn)步驟Stepl01-3 ；
St印 101-2-5:令 n=l，NUM=NUM+1 ；
St印101-2-6:令 INTP[n]=W[j-(M-1)/2+n-l]+INTP[η]； St印101-2-7:令n=n+l ;如果n ^ Μ,轉(zhuǎn)步驟St印101-2-6，否則轉(zhuǎn)步驟St印101-2-8 ； SteplOl-2-8:令 idx=idx+M,轉(zhuǎn)步驟 SteplOl-2-4: St印101-3 ;針對(duì)波形采樣文件FW所需執(zhí)行的操作結(jié)束；
Stepl02:令 n=l ；
St印 102-1:令 INTP [n] = INTP [n]/NUM ； St印102-2:令η=η+1 ;如果η < Μ，轉(zhuǎn)步驟St印102-1，否則轉(zhuǎn)步驟St印102-3 ； St印102-3:令數(shù)組INTP的第一個(gè)元素對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為0，則數(shù)組INTP的第i個(gè)元素對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為(1-1) At，I≤i≤M ;根據(jù)數(shù)組INTP的各個(gè)元素值及其對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，可以得到一個(gè)數(shù)據(jù)序列(Xpyi) ,Xi=Q-1) Δ t, Yi=INTPti], I ≤ i ≤ M ;用函數(shù)
【文檔編號(hào)】H04B10/07GK103618568SQ201310585108
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月16日
【發(fā)明者】陳純毅, 楊華民, 蔣振剛, 李華, 范靜濤, 婁巖 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)