基于全息波前传感的相干自由空间光通信信道补偿技术研究

Atmospheric turbulence is the key factor to limit the development of coherent free-space optical communication (FSOC). For the channel compensation technology based on traditional wavefront-sensor is low-speed and sensitive to scintillation, a new channel compensation method is proposed based on holographic wavefront-sensor (HWFS). And all-optical and mode sensing method is used, which can significantly increase the sensing speed and reduce the influence of scintillation effect. At first, according to Kolmogorov theory, the relationship between atmospheric characteristics and mixing efficiency is analyzed. Then, on the basis of model-based sensing method and holographic theory, the sensing mechanism of HWFS suitable for coherent FSOC is explored. Finally, the mathematical model of bit error rate, ME and wavefront phase mismatch is established, and then a new method is proposed to analyze coherent FSOC performance based on HWFS channel compensation technology in a new way. The channel compensation method based on HWFS breaks through the bottleneck of traditional technology, the sensing speed can be increased more than ten times, and the BER can be decreased by 2-3 orders of magnitude. The introduce of HWFS inspires a new thinking for coherent FSOC channel compensation technology, and promotes our research in this field to the international advanced level.

大气信道的湍流效应是制约相干自由空间光通信（FSOC）发展的关键因素。针对基于传统波前传感的信道补偿技术速度慢、抑制闪烁能力弱等问题，本项目创新地提出基于全息波前传感（HWFS）的相干FSOC信道补偿方法。HWFS采用全光学手段和模式传感法，可显著提高传感速度的同时大幅度降低闪烁效应的影响。项目拟先基于Kolmogorov理论，分析大气特性与混频效率的关系；再根据模式传感原理和全息理论，采用计算全息方法探索适用于相干FSOC的HWFS传感机理；最后，建立误码率与混频效率和波前相位失配的数学模型，以全新的角度提出基于HWFS信道补偿的相干FSOC系统性能分析方法。基于HWFS的信道补偿方法突破了传统的技术瓶颈，传感速度可提高10倍以上，补偿后系统误码率可下降2-3个数量级。HWFS的引入为相干FSOC信道补偿技术研究开辟新的思路，并推进我国在该领域的研究达到国际先进水平。

相干自由空间光通信（FSOC）以其无中继通信距离长和灵敏度高等特点受到广泛关注。然而，大气信道的湍流效应是制约相干FSOC发展的关键因素。针对基于传统波前传感的信道补偿技术速度慢、抑制闪烁能力弱等问题，本项目首先分析了大气湍流的时域和空域特性对相干FSOC系统的影响，并通过数值模拟和实验分析的方式探讨了大气特性对相干FSOC性能的影响。分析结果分别给出了大气Greenwood频率和相干长度对相干FSOC系统的影响，并探讨了自适应光学闭环控制带宽对信道补偿效果的影响；然后，深入研究了全息波前传感（HWFS）的原理，并评估了基于HWFS信道补偿单元的相干FSOC系统性能。结果表明，HWFS对于低阶像差具有良好的校正效果，校正后相干FSOC系统混频效率和BER性能明显提升。最后，扩展研究了基于焦面的波前传感方法和基于串行金字塔的波前传感方法，并探索了上述两种方法应用于相干FSOC系统信道补偿单元的可行性。结果表明：上述两种波前传感方法可有效提高相干FSOC系统性能。通过该项目的研究，验证了基于HWFS的信道补偿方法的可行性，评估了基于HWFS的相干FSOC系统性能，研究成果为相干FSOC信道补偿单元设计提供重要参考，并推进我国在该领域的研究达到国际先进水平。