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轨道角动量光束自适应修复与大气湍流强度探测技术研究

轨道角动量光束自适应修复与大气湍流强度探测技术研究

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作者：陈小政北京邮电大学

学位级别：硕士

近年来,携带轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）的涡旋光束因其具有独特的空间相位分布,在自由空间光（Free Space Optical,FSO）通信领域一直是热门的研究课题。利用具有不同拓扑荷数的涡旋光束进行复用,在通信系统中不仅具... 详细信息

近年来,携带轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）的涡旋光束因其具有独特的空间相位分布,在自由空间光（Free Space Optical,FSO）通信领域一直是热门的研究课题。利用具有不同拓扑荷数的涡旋光束进行复用,在通信系统中不仅具有提高信道容量和频谱效率的巨大潜力,而且能提高信息传输的安全性和可靠性。但是,当涡旋光束在大气信道中传输时,会不可避免受到大气湍流的影响,产生扭曲变形、能量衰减等现象,这会大大降低OAM-FSO通信系统的性能。因此,研究利用涡旋光束探测大气湍流强度,以及缓解大气湍流效应对光束的影响是非常重要的。本论文研究轨道角动量光束自适应修复与大气湍流强度探测技术,主要工作和成果如下:（1）对拉盖尔-高斯（Laguerre-Gauss,LG）涡旋光束和大气湍流理论进行了研究,基于改进的von Karman谱,通过功率谱反演法产生大气湍流随机相位屏,数值模拟LG涡旋光束在大气湍流信道的传播,并从光束光强、相位和螺旋谱分布三方面阐述了大气湍流对LG涡旋光束的影响。另外,建立基于卷积神经网络（convolutional neural network,CNN）的大气湍流探测系统模型,分析在不同输入图片分辨率、OAM拓扑荷数、湍流强度间隔、传输距离和噪声强度的条件下,LG涡旋光束对大气湍流强度分类探测的情况。（2）对基于CNN的OAM涡旋光束探测大气湍流进行了实验研究,利用液晶空间光调制器生成大气湍流随机相位屏,在实验室搭建用于产生和探测畸变OAM涡旋光束的光学实验平台,利用CCD相机采集并保存光束畸变光强图片用作CNN的训练集和测试集。对训练好的CNN模型进行测试,分析不同样本图片分辨率、湍流强度间隔、OAM拓扑荷数、数据集大小和种类对大气湍流探测正确率的影响。（3）研究利用CNN作为波前传感器去探测波前畸变,进而修复畸变LG涡旋光束。基于泽尼克多项式模拟大气湍流相位屏的相关理论,模拟了不同大气湍流强度下和不同多项式阶数下的相位屏。此外,建立了用来提取泽尼克多项式系数的CNN模型,并设计了 LG涡旋光束校正修复的系统模型,研究分析了 CNN模型对于泽尼克多项式系数的预测情况,以及修复前后光束光强和螺旋相位谱的变化情况。

关键词：涡旋光束轨道角动量卷积神经网络大气湍流探测自适应修复

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大气湍流信道涡旋光束自适应修复技术研究

大气湍流信道涡旋光束自适应修复技术研究

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作者：苏元直北京邮电大学

学位级别：硕士

不同轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)模式间的正交性为携带OAM的光束在自由空间光通信(Free Space Optical,FSO)领域应用提供了一个额外的维度,可以扩展其通信容量和频谱效率。因而近年来,携带轨道角动量的涡旋光一直是FSO领... 详细信息

不同轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)模式间的正交性为携带OAM的光束在自由空间光通信(Free Space Optical,FSO)领域应用提供了一个额外的维度,可以扩展其通信容量和频谱效率。因而近年来,携带轨道角动量的涡旋光一直是FSO领域的热门研究课题。然而,大气湍流(Atmospheric turbulence,AT)会造成波前畸变、OAM模间串扰,最终降低通信系统性能。因此,针对缓解大气湍流效应对光束传输影响的研究十分有必要。在这样的背景下,本论文主要研究了环形艾里涡旋光束(Circular Airy beam,CAB)与OAM光束的自适应修复技术,主要工作与成果如下:(1)研究了利用混合输入输出算法实现CAB的自适应相位恢复。为了达到这个目的,研究了CAB的基础理论并对其在大气湍流下的最大光强处以及光斑尺寸的变化趋势进行解析推导。利用随机相位屏法仿真研究了 CAB在大气湍流信道中的传输。研究了湍流对CAB的光强、相位以及螺旋相位谱等方面的影响,结合理论推导确定了用于指导探针光扩束的标准并将其应用在基于混合输入输出算法的相位探测算法中。(2)研究了基于相位分集技术的波前相位恢复方案。在光束传输理论的指导下完成了该相位恢复系统的仿真,利用泽尼克多项式实现了对引入相位函数的模拟,通过迭代优化实现了畸变波前探测的仿真。为降低计算量,引入主成分分析法,实现了数据降维,仿真研究了波前恢复系统中的离焦量,多项式阶数等参数对迭代修复效果的影响。(3)为优化基于相位分集技术的波前修复方案,研究了广义回归神经网络。在研究其网络层和模型结构的基础上将其引入基于相位分集的波前探测系统中,通过神经网络建立了探测面强度信息和预测泽尼克多项式系数间的映射。结合该系统实时性较高的优点提出了优化的方案,提高了系统的修复结果同时也为实际应用提供了更多可选的可选择方案。本论文为缓解大气湍流对光通信的影响,主要研究了作为信息载体的CAB以及基于相位分集技术的相位恢复算法,对FSO领域中OAM光通信克服湍流影响,优化信息传递效果具有指导作用。

关键词：环形艾里涡旋光束轨道角动量相位分集大气湍流探测自适应修复

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