螺旋因斯-高斯光束海洋湍流信道传输与通信特性仿真研究

作     者：戴辉 张鹏 何爽 陈航 范云龙 王圆鑫 李晓燕 佟首峰 Dai Hui;Zhang Peng;He Shuang;Chen Hang;Fan Yunlong;Wang Yuanxin;Li Xiaoyan;Tong Shoufeng

作者机构：长春理工大学空间光电技术国家与地方联合工程研究中心吉林长春130022 长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 吉林大学通信工程学院吉林长春130022 

出 版 物：《激光与光电子学进展》 (Laser & Optoelectronics Progress)

年 卷 期：2024年第61卷第9期

页      面：165-176页

核心收录：

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金重点项目(62231005) 国家重点研发计划(2022YFB2903400) 国家自然科学基金青年科学基金项目(61705019) 吉林省国际科技合作项目(20200801053GH) 

主　　题：海洋湍流 螺旋因斯-高斯光束 随机相位屏 闪烁指数 质心漂移 重叠 误码率 

摘      要：为了研究螺旋因斯-高斯(HIG)光束在海洋湍流信道下的传输与通信特性,首先基于随机相位屏法和功率谱反演法,仿真研究了HIG光束经过海洋湍流后的传输性能(光强分布、相位分布、闪烁指数、质心漂移和重叠)与传输距离之间的关系,而后基于对数正态强度概率密度函数进一步分析通信误码率性能。为实现最优传输与通信性能,优化分析HIG不同光束参数(椭圆度、阶数、度数)下的性能规律。仿真结果表明:与高斯光束相比,HIG光束在不同距离下都具有较好的抗湍流能力,其中在100 m海洋湍流信道中(ε=10^(-5)m^(2)∕s^(3),X_(T)=10^(-5)K^(2)∕s,ω=-0.15,η=10^(-3)m,L_(0)=10 m),闪烁指数降低58%,质心漂移降低53%,误码率降低3个数量级。随着湍流强度增加,HIG光束传输与通信性能降低,且相比高斯光束,HIG光束性能改善能力减弱:在相对弱湍流状态下,误码率改善约4个数量级;在相对强湍流状态下,误码率改善约1个数量级。且随着海洋湍流外尺度增加,HIG光束质心漂移小幅增加,其余参数几乎保持不变。经过优化可知,椭圆度、阶数、度数存在最优值,可提高通信性能和传输性能,其中阶数最为敏感。仿真研究结果将有可能为HIG光束应用于水下光通信提供理论依据和技术参考。