各向异性非Kolmogorov湍流对空间激光通信性能影响研究

As the next generation communication technology, space laser communication technology has attracted worldwide attention in recent years, and fierce competition has begun in this field of research. To date, most studies on the influence of atmospheric turbulence on space laser communication are concerned with the Kolmogorov turbulence. However, more and more theoretical and experimental results have shown that anisotropic Non-Kolmogorov turbulence is closer to the actual situation of atmospheric turbulence, which adds important parameters such as anisotropy coefficients and spectrum power law. In the actual process of laser communication, the variations of anisotropy coefficients and spectrum power law will influence the state of atmospheric turbulence, make the received signal light field change, and finally bring down the performance of space laser communication. Therefore, the effects of anisotropy coefficients and spectrum power law on the performance of space laser communication is an urgent scientific problem. This research will further expand the theory of atmospheric optics, and establish the theoretical foundation for the design and parameters optimization of space laser communication system.

空间激光通信技术作为下一代通信技术，近年来受到了世界各国的广泛关注，并在该研究领域展开了激烈的竞争。迄今为止，大气湍流对空间激光通信影响的研究主要考虑的是Kolmogorov湍流，然而近年来越来越多的理论和实验研究结果已经表明，各向异性Non-Kolmogorov湍流是更接近大气湍流实际情况的理想模型，该模型增加了各向异性系数和功率谱幂律等重要参数。在实际激光通信过程中，各向异性系数和功率谱幂律的改变将对大气湍流的状态造成影响，进而使经过大气湍流后的信号光场发生改变，最终对空间激光通信性能产生影响。因此，各向异性系数和功率谱幂律对空间激光通信性能的影响是一个亟需解决的科学问题。该项研究将进一步扩展大气光学理论，并为空间激光通信系统的设计以及参数优化提供理论依据。

空间激光通信技术作为下一代通信技术，近年来受到了世界各国的广泛关注，而大气湍流是制约空间激光通信性能最为关键的因素之一。目前，许多理论和实验结果均已表明，湍流球泡的各向异性和非柯性质不容忽视，各向异性Non-Kolmogorov湍流是更接近大气湍流实际情况的理想模型。本项目针对这一问题，开展各向异性Non-Kolmogorov湍流对空间激光通信性能影响研究，具体研究内容包括：.（1）随机角抖动和光纤对准误差是影响空间激光通信性能的重要因素。利用有效参数法，建立了存在随机角抖动和光纤对准误差时高斯光束经过水平各向异性Non-Kolmogorov湍流后平均光纤耦合效率模型。.（2）建立了各向异性Non-Kolmogorov结构常数和Kolmogorov结构常数间的等价性公式，利用该公式，可以仅通过Kolmogorov结构常数和功率谱幂律对各向异性Non-Kolmogorov湍流进行预测而无需各向异性系数的精确测量值，这是一种全新的思路。.（3）考虑湍流球泡的椭球体假设，建立了在垂直和倾斜链路下均适用的星地链路各向异性Non-Kolmogorov湍流模型，并对星地链路光强起伏时间频率谱、光纤耦合效率的均值和概率分布完成了建模分析。.（4）正交幅度调制可以在不增加系统带宽的情况下极大地提高通信系统的通信速率，是面向下一代空间激光通信系统的核心调制技术。同时考虑光强闪烁和光束漂移的影响，建立了高斯光束经过矩形正交幅度调制和星地上行各向异性Non-Kolmogorov湍流后平均误码率模型。.总体而言，本项目的研究成果进一步扩展了大气光学理论，为湍流条件下空间激光通信系统的优化设计提供了理论依据，为我国未来建立高速实时、安全可靠的空间激光通信网络提供了重要的技术保证。