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考虑APD的部分相干光OFDM-UWOC系统性能

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西安电子科技大学学报 2023年第1期50卷 58-65页

作者：宋亚童李爽李刚刚顾士忠王平郭立新西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室陕西西安710071 西安电子科技大学物理学院陕西西安710071

对于实际的水下无线光通信系统,系统误码性能主要受到海洋湍流和接收机噪声的制约。考虑散粒噪声和热噪声的影响,对弱海洋湍流环境下基于雪崩光电二极管的部分相干光辅助OFDM-UWOC系统的误码性能进行了分析。研究中利用波束扩展函数建... 详细信息

对于实际的水下无线光通信系统,系统误码性能主要受到海洋湍流和接收机噪声的制约。考虑散粒噪声和热噪声的影响,对弱海洋湍流环境下基于雪崩光电二极管的部分相干光辅助OFDM-UWOC系统的误码性能进行了分析。研究中利用波束扩展函数建立了吸收、散射、未对准和海洋湍流共同影响下的聚合信道衰落模型,进而分别导出不同噪声限制下的系统平均误码率理论表达式。受散粒噪声限制时,研究了接收机噪声温度、平均接收光强及雪崩光电二极管雪崩增益值的大小对系统可靠性的影响;受热噪声限制时,给出了部分相干光特征参数和海洋湍流特性参数对该系统可靠性的影响。结果表明,对于雪崩光电二极管而言,接收机温度和平均接收光强大小都会在一定程度上影响系统误码性能。因此,通过选择合适的雪崩光电二极管雪崩增益值,能够在一定程度上提升该OFDM-UWOC系统的误码性能。此外,部分相干光和海洋湍流的变化会对系统的误码性能产生影响。

关键词：水下无线光通信部分相干光雪崩光电二极管波束扩展函数

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部分相干光经过PT对称介质散射的研究

部分相干光经过PT对称介质散射的研究

作者：张宣苏州大学

学位级别：硕士

自然界中所有的光场都是随机涨落的,这种随机光场被称为部分相干光。光散射问题的研究在天文学、生物医学、高分子化学、气象学等方面有着广泛的应用。部分相干光经过各种介质散射被大量研究。本论文将在一级波恩近似条件下,研究部分相... 详细信息

自然界中所有的光场都是随机涨落的,这种随机光场被称为部分相干光。光散射问题的研究在天文学、生物医学、高分子化学、气象学等方面有着广泛的应用。部分相干光经过各种介质散射被大量研究。本论文将在一级波恩近似条件下,研究部分相干光束经过PT(parity-time)对称介质散射后散射光场的光学特性。首先,介绍本论文的研究背景和现状,给出了标量光和矢量光经过确定性散射介质后散射光场的理论推导,并将理论推广到部分相干光束。而后根据介质势函数的随机性将散射介质分为确定性散射介质和随机散射介质。其次,研究了平面波经过散射势相关函数满足PT对称或经典对称的随机介质时散射特性。基于弱散射理论,分析表明当随机介质散射势相关函数具有经典对称时,散射远场的光谱密度是中心对称的。然而,PT对称随机散射体散射后远场处的光谱密度变得不对称。其原因是PT对称随机介质的势函数相关函数中相位的奇对称分布。并通过两种例子(谢尔模型相关和非均匀相关)的数值模拟证明了这一观点。然后,推导了部分相干径向偏振光束经过弱散射介质时远场处偏振矩阵的表达式。通过解析和数值计算表明,当散射势由经典对称变为PT对称,散射远场的强度和偏振因此都具有了方向性。论文还详细地讨论了入射光相干结构的对称性对散射的影响。发现通过改变入射光的空间相干函数的对称性,散射的方向性可以被抑制或增强,最后,总结了我们的研究内容,并提出了一些关于PT对称散射介质研究方向。

关键词：部分相干光弱散射 PT对称散射介质

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部分相干光在大气湍流中传输特性的研究进展

电波科学学报 2024年第2期39卷 191-204页

作者：韩美苗柯熙政梁静远西安理工大学自动化与信息工程学院西安710048 陕西省智能协同网络军民共建重点实验室西安710000

光波在大气中传播时,由于大气折射率的变化,导致光强闪烁、光束扩展和光斑漂移等湍流效应,严重影响激光通信、跟踪和成像系统的性能。部分相干光受湍流影响更小,因此其传输特性成为近年来的研究热点。本文总结了国内外部分相干光在大气... 详细信息

光波在大气中传播时,由于大气折射率的变化,导致光强闪烁、光束扩展和光斑漂移等湍流效应,严重影响激光通信、跟踪和成像系统的性能。部分相干光受湍流影响更小,因此其传输特性成为近年来的研究热点。本文总结了国内外部分相干光在大气湍流中的传输特性研究进展,同时介绍了西安理工大学在该领域的研究工作,主要包括光强分布、光束扩展、光束漂移、光强闪烁、到达角起伏和偏振以及散斑特性等,最后对该领域的发展方向进行了展望。

关键词：无线光通信部分相干光大气湍流传输特性研究进展

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部分相干光在大气湍流中传输特性的研究进展

电波科学学报 2023年

作者：韩美苗柯熙政梁静远陕西省智能协同网络军民共建重点实验室西安理工大学自动化与信息工程学院

光波在大气中传播时，由于大气折射率的变化，导致光强闪烁、光束扩展和光斑漂移等湍流效应，严重影响激光通信、跟踪和成像系统的性能.部分相干光受湍流影响更小，因此其传输特性成为近年来的研究热点.本文总结了国内外部分相干光在大... 详细信息

光波在大气中传播时，由于大气折射率的变化，导致光强闪烁、光束扩展和光斑漂移等湍流效应，严重影响激光通信、跟踪和成像系统的性能.部分相干光受湍流影响更小，因此其传输特性成为近年来的研究热点.本文总结了国内外部分相干光在大气湍流中的传输特性研究进展，同时介绍了西安理工大学在该领域的研究工作，主要包括光强分布、光束扩展、光束漂移、光强闪烁、到达角起伏和偏振以及散斑特性等，最后对该领域的发展方向进行了展望.

关键词：无线光通信部分相干光大气湍流传输特性研究进展

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部分相干光载波在大气中的传输特性研究

部分相干光载波在大气中的传输特性研究

作者：张莹长春理工大学

学位级别：硕士

相比于微波通信,自由空间光(FSO)通信具有更高的调制速率、更宽的频带宽度、不占用频谱资源等优点;相比于光纤通信,其具有施工周期较短、成本低,并且安装形式灵活等优点。但是就目前研究而言,FSO通信存在的最大问题是由于受到大气信道... 详细信息

相比于微波通信,自由空间光(FSO)通信具有更高的调制速率、更宽的频带宽度、不占用频谱资源等优点;相比于光纤通信,其具有施工周期较短、成本低,并且安装形式灵活等优点。但是就目前研究而言,FSO通信存在的最大问题是由于受到大气信道的干扰,而产生的功率衰减、光束漂移、光束扩展和光强闪烁等现象。一直以来,因为受到大气信道的干扰,长距离FSO通信发展遭遇了阻碍。通过大量的理论分析和数值模拟等方面研究证实,大气对于部分相干光束的干扰程度明显低于对相干光束的干扰程度。其中部分相干光束生成方式主要包含扩展光源、空间光调制器及旋转随机相位屏等。然而通过上述手段所产生的部分相干光源不容易实现Gbps量级的高速调制,因此无法应用到调制速率较高的FSO通信系统中。使用超短脉冲光纤激光器泵浦非线性光纤所生成的超连续谱光源时,既能够发挥其部分相干性的优势来抵抗大气信道对FSO通信系统影响,还可以利用其重复频率较高的特点来达到对载波光源的高速调制。本文主要提出了一种高重频部分相干光载波,并且对其在模拟大气信道的传输特性进行研究分析。本文主要完成了以下工作:1、根据超连续谱光源产生的原理,实验研究了重复频率为4 GHz的主动锁模光纤激光器,并将其作为超连续谱的泵浦光源。经拉曼孤子压缩后脉宽由38 ps变为4.2 ps,采用此超短脉冲泵浦高非线性光纤,获得了超连续谱展宽。2、以超连续谱光源相干性的测量原理为基础,分别实验研究了马赫-增德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪,通过超连续谱光源的干涉图样计算得出其相干度为0.352,证实了所得到的超连续谱光源具有部分相干性,是典型的部分相干光源。3、提出了一种重复频率为10 GHz的部分相干光源的产生方法。通过实验实现了基于光谱非线性展宽的部分相干光载波,在湍流模拟系统中单通道传输速率高达10 Gbit/s,并对其在湍流模拟系统的闪烁因子、眼图信噪比和误码率等传输特性展开研究。当大气湍流模拟系统上下板的温差为△T=230℃时,相干光载波和部分相干光源载波的信噪比分别降低了12.52 d B和6.19 d B,而且此时部分相干光载波链路灵敏度提高了1.6 d B。

关键词：自由空间光通信超连续谱部分相干光

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部分相干光粗糙面LRCS实验研究

部分相干光粗糙面LRCS实验研究

作者：薛佳荣西安电子科技大学

学位级别：硕士

目标激光散射特性由于涉及目标几何形态、粗糙面散射及材料复杂的介电特性,使其成为激光雷达应用技术中的难点问题之一。早期激光相干探测中由于考虑相干光在经过大气湍流后会退化为部分相干光。相对于相干光,部分相干光在抑制湍流带来... 详细信息

目标激光散射特性由于涉及目标几何形态、粗糙面散射及材料复杂的介电特性,使其成为激光雷达应用技术中的难点问题之一。早期激光相干探测中由于考虑相干光在经过大气湍流后会退化为部分相干光。相对于相干光,部分相干光在抑制湍流带来的光强闪烁、相位起伏的影响方面具有一定优势,特别是近十年来,基于赝热光的符合成像技术,由于其独特性能受到重视。上述因素使得部分相干光下目标散射特性研究受到重视,对激光目标探测及新体制成像具有重要理论意义和应用价值。本文结合部分相干光理论开展了粗糙表面目标特性重要参量—激光雷达散射截面（LRCS）的深入研究。论文首先介绍了描述粗糙面的重要参量以及目标特性两个重要参数LRCS和双向反射分布函数（BRDF）,采用粗糙面电磁散射理论的基尔霍夫近似,分析典型激光波长下粗糙面高度起伏均方根、相关长度及材料介电常数对单站和双站散射系数的影响。利用典型的部分相干光束—高斯谢尔模光束（GSM）及GSM光束照射下粗糙表面散射系数的表达式,仿真分析了光束相干长度、光束宽度、粗糙面参量对后向散射系数的影响。本文系统开展粗糙金属表面相干/部分相干光散射特性实验测量,研究了总共十三种样品,包括一个原铝板、九种不同目数的喷砂铝板、一个黑色氧化铝板和两种不同粗糙度的喷漆材料。本文首先进行了测量样品的粗糙度参量及粗糙材料总体光谱反射率的实验;然后采用旋转毛玻璃的方法产生部分相干光束并测量了不同条件下的横向相干长度,为部分相干光粗糙表面散射特性理论与实验对比提供全面可靠的实验参数。最后利用目标激光散射自动测量系统测量了532nm和632.8nm两种波长下相干光与部分相干光的散射系数,对部分样品的单站与双站20°斜入射下散射系数角分布进行理论与实验对比分析,两者吻合较好。论文工作不仅为部分相干光粗糙面散射理论验证提供实验依据,也为目标部分相干光散射特性研究提供理论基础。

关键词：目标激光散射特性部分相干光激光雷达散射截面高斯谢尔模光束

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部分相干光产生无衍射Mathieu光束

光子学报 2018年第2期47卷 78-82页

作者：冯聪王硕琛吴逢铁华侨大学信息科学与工程学院福建省光传输与变换重点实验室福建厦门361021

基于傅里叶变换下的菲涅尔衍射理论,对部分相干光产生Mathieu光束进行了理论和实验研究,并利用抽样理论和色散公式推导出Mathieu光束的光强分布表达式.数值模拟了不同传播距离处Mathieu光束的截面光强分布,并设计了实验对模拟结论进行验... 详细信息

基于傅里叶变换下的菲涅尔衍射理论,对部分相干光产生Mathieu光束进行了理论和实验研究,并利用抽样理论和色散公式推导出Mathieu光束的光强分布表达式.数值模拟了不同传播距离处Mathieu光束的截面光强分布,并设计了实验对模拟结论进行验证.实验采用多波长蓝光LED为光源,利用带有椭圆形孔径的菲林片及轴棱锥得到Mathieu光束.模拟和实验结果均证明部分相干光可以产生Mathieu光束.研究结果对拓展Mathieu光束的应用范围提供了理论依据.

关键词：部分相干光衍射理论 Mathieu光束傅里叶方法角谱

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部分相干光的近轴模拟方法—有效张量法

部分相干光的近轴模拟方法—有效张量法

作者：张恩鑫中国计量大学

学位级别：硕士

复杂部分相干光(PCBs)的应用越来越广泛,例如自由空间光通信、粒子捕获、光学成像等,与此同时,理论分析时通常很难去得到这些光束的传输解析方程,所以需要使用数值模拟的方法去解决。传统的数值模拟方法在实际模拟时存在固有的缺陷。在... 详细信息

复杂部分相干光(PCBs)的应用越来越广泛,例如自由空间光通信、粒子捕获、光学成像等,与此同时,理论分析时通常很难去得到这些光束的传输解析方程,所以需要使用数值模拟的方法去解决。传统的数值模拟方法在实际模拟时存在固有的缺陷。在本文中,我们将介绍有效张量法(ETA),用于解决近轴部分相干光束的数值模拟。有效张量法较直接的重构了部分相干光的传输过程,并且不会有混叠和涟漪现象,方法简单,过程中主要进行矩阵或者张量运算。分别通过与解析计算、数值积分、及实际实验的结果对比,证实了ETA在部分相干光传输模拟的有效性。有效张量法为近轴部分相干光传输模拟提供了一种快速且准确的方法。主要研究结果如下:(1)推导获得有效张量法的理论模型表达式。首先,理论分析了现有相干光数值模拟方法,在此基础之上,研究一种可以处理部分相干光传输问题的数值模拟方法,称之为有效张量法,并推导出其理论模型。以高斯-谢尔模光束(GSM)在自由空间的传输问题为研究对象,对比分析解析法,角谱法,有效张量法重构GSM光束的结果。传统的数值模拟方法中有许多以傅里叶变换(FFT)为基础,以角谱法为例,都避免不了分析结果中出现混叠与涟漪现象,然而ETA可以避免这些现象的产生。对比分析结果中,也可以看出ETA模拟分析的速度要远优于解析法和角谱法。准确性和运算速度快是ETA的主要优势,也是本文的主要研究成果。(2)利用有效张量法分析研究了多种形态的部分相干光的传输性质,验证了有效张量法对于多种部分相干光传输模拟的普适性。目前已有的部分相干光模拟方法虽然有很多,但都有其针对性。对于特定形态的部分相干光束,经常只有一种模拟方法可以对其进行数值模拟,而该方法对其他形态的部分相干光束无效。而通过对多种不同形态的部分相干光的模拟分析,可以看出有效张量法在处理部分相干光传输问题的普适性。(3)实验验证有效张量法的模拟结果。通过设计实验,我们得到了涡旋高斯-谢尔模光束(GSMV)传输后的光强分布,另一方面,利用有效张量法数值模拟了GSMV光束传输过程,对比实验结果与模拟结果,发现两者之间符合的很好,进一步验证了有限张量法的准确性。(4)将ETA运用到计算机关联成像中。关联成像,又称符合成像和鬼成像,是近年来量子光学领域研究的热点之一。通常的关联成像是利用非相干光的空间关联实现的成像方式。但赝热光关联成像的实现,说明了部分相干光作为光源的可能性,并且自然中部分相干光是普遍存在的。计算机关联成像的主要思路是将关联成像中的参考光路由计算机算法拟合得出,那么ETA作为一种准确、快速的PCB光束的模拟算法,可以将其运用到计算机关联成像中。

关键词：传输光学等效矩阵法部分相干光 ABCD光学系统

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部分相干光束旋转多普勒效应的理论研究

厦门大学学报（自然科学版） 2023年第4期62卷 494-499页

作者：张浩唐方清张武虹任元陈理想厦门大学物理科学与技术学院福建厦门361005 航天工程大学基础部北京怀柔101400

由于部分相干光较相干光更易获得,且在遥感探测中受大气湍流的影响更小,因此部分相干光的旋转多普勒效应研究更具应用价值.为了丰富部分相干光旋转多普勒效应的研究,本文基于高斯-谢尔模交叉谱密度函数,理论计算了部分相干光束经过旋转... 详细信息

由于部分相干光较相干光更易获得,且在遥感探测中受大气湍流的影响更小,因此部分相干光的旋转多普勒效应研究更具应用价值.为了丰富部分相干光旋转多普勒效应的研究,本文基于高斯-谢尔模交叉谱密度函数,理论计算了部分相干光束经过旋转物体透射后探测光强的解析表达式,从而系统研究部分相干光的旋转多普勒效应.具体地,选用开口大小可调节的角掩膜,理论上模拟仿真探测光强信号的波形图随光场横截面相干度的变化关系,分析其频谱特性,并探究探测光强的可见度随相干度的变化关系及原因.理论模拟发现:相干度的变化不影响调制频率的大小,进而不影响测量旋转物体转速的准确性;大多数情况下光强信号的可见度会随着相干度的增大而增大,但在某些特殊情况下会存在零点.该理论研究为利用部分相干光的旋转多普勒效应来实现转动的远程遥感测速提供了理论依据.

关键词：部分相干光旋转多普勒效应轨道角动量交叉谱密度函数