级联液晶光调制的激光传输大气湍流效应的仿真研究

The liquid crystal spatial light modulator (LC-SLM) can simulate the laser phase screen after the atmospheric aberration controllably, dynamically and repeatablly. In this project, the concatenated LC-SLMs are used to simulate the effect of atmospheric turbulence on laser propagation. It is superior to the single phase screen simulation for precisely reproducing turbulence in different communication links. Moreover, the concatenated phase screens will allow the user to control the atmospheric parameters independently. The simulation research is comprised of the static phase screen and the turbulence temporal transitions, which is often neglected by many models. The concatenated LC-SLMs turbulence simulation platform will be established in laboratory. Based on this testbed, the effect of atmospheric turbulence on laser propagation can be researched regularly without the outfield experiments, which benefits to deeply understand the turbulence influence on the performance of the laser communication system.

由于具有相位的编程控制功能，液晶光调制器能够对激光经大气湍流后的畸变相位屏实现可控地、动态地、重复性地仿真。本项目将采用多个液晶光调制器级联的方式对大气湍流效应进行仿真研究。该方式能突破单一相位屏模拟方式的局限，对各种链路中不同强度的湍流进行准确的模拟；除此之外，它还能实现对湍流大气参数的独立控制。项目中，我们不仅将完成级联液晶光调制的湍流静态相位屏仿真，还将对湍流仿真研究中经常被忽略的动态演变过程进行专门研究，并在实验室内建立级联液晶光调制的大气湍流仿真平台。基于此平台，可避免费用高昂的外场试验，实现对激光传输大气湍流效应的常态化研究，有助于深入了解湍流大气对空间激光通信系统性能的影响。

随着信息获取类卫星数据量的剧增及传输实时性需求的增强，空间激光通信已经逐步取代传统的微波通信，成为信息传输领域的研究热点。激光通信具有更大的通信容量，更小的功耗和载荷，且不受其他频段的干扰等优点，但是空间激光通信中大气信道的随机特性会给通信系统的可靠性和稳定性带来诸多问题。由于破坏了激光光束的波前相位，湍流大气会导致通信接收系统出现光斑抖动、光功率起伏等现象，从而降低通信性能。大气湍流效应能否得到有效抑制，将直接影响空间激光通信应用效果。因此，研究激光传输大气湍流效应具有十分重要的科学意义。.本项目针对以上的科学问题，对大气湍流效应开展了深入研究。主要围绕以下三方面进行：.1、开展了大气湍流相位屏的数值模拟研究，研究包括了湍流静态屏和动态屏，且涵盖了Kolmogorov湍流和Non-Kolmogorov湍流多种不同的模型。针对湍流静态相位屏的三种数值模拟方法（功率谱反演法、Zernike多项式法和分形法），深入研究对比其在模拟精度、时间复杂度、适用范围、仿真效果等方面的优劣，发现功率谱反演法具有更为广泛的适应性，而分形法在时间复杂度上更具优势。针对湍流冻结法产生的动态相位屏数量有限这一问题，研究了一种新的实现方案——样条插值法，通过实验发现该方法不仅能实现湍流的动态模拟，且具有更高的效率。.2、开展了激光大气湍流传输的数值仿真和模拟实验研究。通过数值仿真的方法，研究激光经多层畸变相位屏后的接收光场变化，并对数值模拟结果进行了统计分析。结果发现相位屏位置的设置对最后的统计结果影响不大，不足以体现其在任何特定位置上的优越性，为后续实验模拟打下良好基础。搭建了基于液晶空间光调制器的室内湍流模拟平台。对液晶器件的非线性相位调制进行校正，在此基础上利用数值模拟的相位屏和光学级联放大，实现3.4km的激光大气传输模拟实验，并对接收光斑的闪烁系数和达到角起伏特性进行了分析。开展了外场远距离激光大气传输实验，对3.4km水平链路进行远场光斑的采集和分析，并将结果与室内模拟结果进行对比，验证了室内模拟数据的有效性。.3、基于湍流模拟平台，研究了湍流对激光通信误码性能的影响。采集了不同湍流强度下的通信系统接收光强起伏和到达角起伏变化，分析发现误码率随着湍流强度的增大而逐渐减小，符合湍流理论的预测。另外，围绕激光通信系统特点，项目还开展了湍流对跟踪系统影响的相关研究。