涡旋X波在海洋湍流中的传输特性研究

For underwater optical wireless communication systems, the problems must be solved that are how to mitigate the effect of the oceanic turbulence on signal, improve the channel capacity, and increase the transmission distance. To solve these problems, we introduce a new class of non-diffracting and non-dispersing ultrashort optical pulses possessing orbital angular momentum (OAM), i.e. vortex X waves, in underwater optical wireless communication links; a theoretical study of the behavior of vortex X waves propagating through oceanic turbulence will be performed. Firstly, based on the extended Huygens-Fresnel principle, we will model the pulse width and beam diameter of vortex X waves propagating through oceanic turbulence, and find out the system parameters with the shortest pulse width and the appearance in communication systems. Secondly, we will select an optimal one among a number of available OAM bases by investigating the transmission characteristic of different OAM orthogonal bases in oceanic turbulence. Finally, we will develop the generalized Rytov theory and construct the power spectral model in moderate to strong oceanic turbulence; then, we will model the received probability of OAM carried by vortex X waves and channel capacity of an OAM-based optical wireless communication system in weak to strong oceanic turbulence; we will find out the core elements in communication systems for extending the transmission distance and improving the channel capacity. Our work will provide the theoretical foundation for the realization of the underwater optical wireless communication systems with high channel capacity and long transmission distance.

遏制海洋湍流对信号的衰减，增加通信信道容量和信号传输距离，是实现水下无线光通信迫切需要解决的问题。本项目拟通过引入一种新型非衍射非色散且携带轨道角动量的超短脉冲波（涡旋X波），研究涡旋X波在海洋湍流中的传输规律，达到降低海水湍流干扰和增加信号传输距离的目的。首先，基于广义惠更斯-菲涅尔原理，建立海洋湍流信道中涡旋X波的束径宽度和脉冲宽度模型，在给定海洋湍流条件下寻找脉冲宽度和束径宽度最优时的通信系统参数。其次，研究湍流海洋中不同轨道角动量正交基的传输特性，选择传输效果最优的轨道角动量正交基。最后，发展适用于海洋中等到强湍流区的广义Rytov方法，构建中等到强海洋湍流区域的空间功率谱模型；建立弱到强海洋湍流区域中涡旋X波携带的轨道角动量模的接收功率和信道容量模型，由此探索延长海洋湍流中通信信道长度和提高信道容量的核心要素，为实现基于轨道角动量编码的高容量、长距离的水下光通信系统提供理论依据。

面对军用和民用对水下高速率、高容量、高保密度和长距离通信需求的日益提高，携带轨道角动量的涡旋光束作为信号载体的水下无线光通信成为现代光学的研究热点之一。本项目主要研究了非衍射非色散的超短脉冲波在海洋湍流中的传输机理，包括研究了X波，Bessel-X波，隆梅尔高斯涡旋脉冲等局域波携带的轨道角动量接收概率在海洋湍流中传输规律，分析了海水湍流和超短脉冲光源参数对轨道角动量接收概率、脉冲展宽、信道容量的影响；构建了包含海洋湍流外尺度因子的新型海洋湍流折射率功率谱；另外分别基于拉盖尔正交多项式和贝塞尔加权正交性导出了对应的含时脉冲轨道角动量的本征函数，并基于不同的基模研究了拉盖尔涡旋脉冲波和隆梅尔涡旋脉冲携带的轨道角动量在海洋湍流中的接收概率。研究表明，携带大的初始半脉冲宽度、大的初始束腰半径和小的贝塞尔锥角的涡旋X波具有较强的抵抗海水湍流干扰能力。另外，携带小的轨道角动量量子数的涡旋X波能够获得大的轨道角动量态信号接收概率和宽的带宽；通过引入尺度有限的海水湍流外尺度因子，我们建立了适用于不稳定分层情况下从低空间波数区到高波数区的新型海水湍流折射率功率谱。新谱不仅消除了稳定分层假设的误差，而且基于典型的实验数据也证明了该谱是一种较为准确的海水湍流折射率功率谱模型。基于拉盖尔基模的脉冲轨道角动量态的特征函数，研究了超短拉盖尔高斯涡旋脉冲光束携带轨道角动量的接收概率，得出较大的传输距离与较小的轨道角动量量子数导致较小的脉冲延迟，涡旋脉冲光束传输在温度起伏为主的浅海中比盐度起伏为主的深海中有更好的传输性能；基于贝塞尔基模的脉冲轨道角动量态的特征函数，研究隆梅尔高斯涡旋脉冲波在非对称海水湍流的轨道角动量接收概率。研究表明隆梅尔高斯涡旋脉冲光束携带较大的轨道角动量的量子数具有良好的抗海水湍流干扰特性和携带较大的信息容量通信性能。该工作可为水下无线光通信系统的设计提供新方法和新思路。