大气激光通信中抑制强度闪烁新方法研究

激光通信是未来星地卫星通信的主要手段和重要发展方向，同时也是解决"最后一公里"瓶颈问题的有效方案。激光在传输过程中由于湍流引起的光强起伏已经成为限制其通信距离和系统性能的主要瓶颈，如何有效抑制强度闪烁成为目前研究的重点和热点。本项目正是基于上述背景，以探索激光"相干性＋偏振态"对大气湍流引起的强度闪烁的抑制机理，找到一种新的有效抑制强度闪烁新方法为最终目标而提出的一个带有基础性的研究课题。从推广的惠更斯-菲涅耳原理和交叉谱密度矩阵出发，系统研究不同湍流情况下矢量部分相干光束的光束展宽，光束漂移和强度闪烁，并进一步研究激光参数和大气湍流参数对误码率，中断概率的影响，提出系统优化标准。同时提出采用激光束"相干性＋偏振态"抑制强度闪烁的理论方案。该课题的成功开展对改善大气激光通信系统性能具有十分重要的意义。

本项目致力于解决大气激光通信中的一些基本理论问题，即利用激光“相干性和偏振态”来抑制大气湍流引起的强度起伏。从推广的惠更斯-菲涅耳原理和交叉谱密度矩阵出发，系统研究了水平传输路径下部分相干光束的光束展宽机制。发现当部分相干厄米高斯光束的光束阶数m，空间相干长度σ0和束腰宽度w0满足下面表达式时： 。不同的部分相干厄米-高斯光束在远场具有相同的光束展宽。同时还研究了光束相干性和偏振态对光束展宽和光束方向的影响。发现当光束的相干长度δxx，偏振度P(0)和束宽w0满足某一条件时，会具有相同的远场发散角，即： 。以矢量部分相干高斯光束为例，大气湍流模型选择通用的柯莫哥洛夫模型，系统研究了水平传输路径下部分相干光束的光束光束漂移。基于平面波模型和应用于ABCD光学系统的拓展Rytov理论，我们推导出了适用于任意湍流强度下的信道相关系数的表达式，还得到了相关长度在强湍流条件下的近似表达式。系统研究了孔接收情形，部分相干光束的闪烁因子，即大气湍流引起的强度起伏。