无线光相干通信原理及应用

目录
第1章 无线光相干通信概述 1
1.1 自由空间光通信基本概念 1
1.2 自由空间光通信发展现状 1
1.3 相干光检测国内外研究现状 3
1.3.1 星间相干光检测研究现状 3
1.3.2 光纤通信相干光检测研究现状 7
1.3.3 自由空间相干探测通信系统的发展现状 9
1.4 影响相干探测性能的因素 17
1.4.1 自由空间相干探测系统性能影响因素的研究现状 17
1.4.2 部分相干光束相干探测系统影响因素的研究现状 20
1.5 波前校正的国内外研究现状 20
1.5.1 大气湍流补偿技术研究现状 21
1.5.2 波前校正技术的国外研究现状 22
1.5.3 波前校正技术的国内研究现状 22
参考文献 24
第2章 相干光通信 38
2.1 相干光通信的基本原理 38
2.1.1 基本原理 38
2.1.2 零差探测 40
2.1.3 外差探测 41
2.1.4 调幅信号的外差探测 41
2.2 相干调制与解调 42
2.2.1 相干系统的光调制 42
2.2.2 相干解调 44
2.2.3 系统性能 47
2.3 影响检测灵敏度的因素 48
2.3.1 相位噪声 48
2.3.2 强度噪声 48
2.3.3 偏振噪声 49
2.3.4 相干光通信系统的关键技术 49
2.4 光外差检测的空间相位条件 49
2.4.1 空间相位条件 49
2.4.2 光外差检测的频率条件 52
2.4.3 光外差检测的偏振条件 53
2.5 零差探测与外差探测 53
2.5.1 零差相干探测 55
2.5.2 相干探测 56
2.6 相干探测系统组成 57
2.6.1 波前校正模块 58
2.6.2 偏振控制模块 61
2.6.3 激光器稳频模块 62
2.6.4 平衡探测模块 64
2.6.5 相干解调模块 66
2.7 相干探测系统性能分析 66
2.7.1 相干探测系统信噪比及检测灵敏度 66
2.7.2 理想情况下相干探测系统性能分析 70
2.7.3 光路对准误差情况下相干探测系统性能分析 73
2.8 信噪比、误码率和探测灵敏度 78
2.8.1 直接探测与外差探测的信噪比 78
2.8.2 直接探测与外差探测的误码率 80
2.8.3 直接探测与外差探测的探测灵敏度分析 83
2.9 波前畸变对空间相干光通信的影响 85
2.9.1 波前畸变原理 85
2.9.2 波前畸变的影响 87
参考文献 89
第3章 空间光——光纤耦合及光束控制 91
3.1 空间光-光纤耦合技术 91
3.1.1 理想条件下透镜-单模光纤耦合 92
3.1.2 高斯光束耦合 97
3.2 弱湍流大气中空间平面波-透镜-单模光纤耦合 99
3.2.1 大气湍流中光场分布及折射率功率谱 99
3.2.2 大气湍流中透镜耦合 104
3.2.3 大气湍流中透镜耦合光功率相对起伏方差 108
3.2.4 大气湍流中透镜阵列的空间光耦合 111
3.3 空间光耦合自动对准算法 115
3.3.1 空间光耦合自动对准概述 115
3.3.2 模拟退火算法 116
3.3.3 粒子群算法 122
3.4 基于马卡天线的阵列光束控制 127
3.4.1 马卡天线及存在的问题 127
3.4.2 基于马卡天线的阵列高斯光束控制 128
3.4.3 大气湍流中马卡天线的耦合效率 137
参考文献 140
第4章 光束偏振控制技术 144
4.1 光束偏振控制进展 144
4.1.1 偏振控制器的研究现状 144
4.1.2 偏振控制算法的研究现状 145
4.2 相干光通信系统与偏振控制 147
4.2.1 光偏振的表示 147
4.2.2 相干光通信系统的偏振控制 150
4.3 相干光通信偏振控制模型和控制算法 156
4.3.1 相干光通信系统的偏振控制模型 156
4.3.2 偏振控制中的模拟退火算法 157
4.3.3 粒子群优化算法在偏振控制中的应用 161
4.3.4 SPO算法的设计以及在偏振控制中的应用 164
4.3.5 三种算法的比较 170
4.4 偏振控制器的无端复位 171
4.4.1 小步倒退复位法和直接复位法 171
4.4.2 直接复位方式的实验 175
4.5 偏振控制的实验 177
4.5.1 实验装置 177
4.5.2 偏振控制的外场实验 177
参考文献 182
第5章 双平衡探测 184
5.1 国内外发展历史和现状 184
5.1.1 国外发展历史和现状 184
5.1.2 国内发展历史和现状 186
5.2 双平衡探测系统结构与原理 187
5.2.1 双平衡探测技术中90±光混频器的分类 188
5.2.2 平衡探测器的分类 194
5.2.3 双平衡检测原理 197
5.3 双平衡探测技术的平衡失配分析 202
5.3.1 光混频器的影响 202
5.3.2 平衡探测器的影响 207
5.4 双平衡探测系统中共模抑制比 210
5.4.1 共模抑制比 210
5.4.2 信噪比 212
5.4.3 数值仿真 214
5.5 双平衡探测系统Optisystem仿真 217
5.5.1 双平衡探测系统仿真 217
5.5.2 功率失配对双平衡探测信噪比的影响 219
5.5.3 时间失配对双平衡探测信噪比的影响 221
参考文献 222
第6章 波前校正系统 225
6.1 自适应光学系统研究现状 225
6.2 相干光通信中的自适应光学系统 227
6.2.1 自适应光学原理 227
6.2.2 波前传感器 228
6.2.3 波前校正器的工作原理 230
6.3 系统误差分析 231
6.3.1 自适应光学系统误差分析 231
6.3.2 抑制系统误差方法 232
6.4 波前控制器的实现 234
6.4.1 波前重构理论 234
6.4.2 变形镜影响矩阵的测量 240
6.4.3 波前控制算法实现 242
6.5 波前畸变的校正 245
6.5.1 闭环控制参数调节过程分析 245
6.5.2 波前相位畸变对混频效率的影响 246
6.5.3 对相干混频效率的影响 248
6.6 实验验证 250
6.6.1 波前控制器的动态特性分析 250
6.6.2 波前畸变校正效果分析 252
参考文献 260
第7章 无波前探测自适应光学校正 263
7.1 自适应光学基本原理 263
7.1.1 波前校正器 264
7.1.2 波前控制器 266
7.1.3 SPGD算法 267
7.2 SPGD算法对畸变高斯光束的波前校正 268
7.2.1 光传输方程与多相位屏法 268
7.2.2 高斯光束大气湍流传输模拟 269
7.2.3 不同湍流强度下信号光波前校正 271
7.2.4 自适应光学技术对相干光通信系统性能的改善 272
7.3 实验研究 274
7.3.1 SPGD算法对静态波前畸变的校正 274
7.3.2 SPGD算法对外差探测相干光通信系统的波前校正 277
参考文献 281
第8章 LC-SLM-R的空间相干光通信波前校正技术 282
8.1 液晶空间光调制器相位标定 282
8.1.1 LC-SLM相位标定 282
8.1.2 LC-SLM的结构 283
8.1.3 琼斯矩阵分析LC-SLM的相位调制原理 284
8.2 LC-SLM的相位标定原理 290
8.2.1 干涉条纹移动法 290
8.2.2 干涉条纹移动法实验原理 291
8.3 相位标定实验 292
8.3.1 反射式空间光调制器相位标定实验 292
8.3.2 最小二乘拟合 293
8.4 LC-SLM-R的空间相干光通信波前校正系统 295
8.4.1 LC-SLM-R波前畸变校正原理 295
8.4.2 波前校正系统基本组成 295
8.5 波前测量原理 297
8.5.1 横向剪切干涉仪静态波前测量 297
8.5.2 夏克-哈特曼波前传感器实时波前测量原理 303
8.6 波前重构 304
8.6.1 Zernike多项式 304
8.6.2 基于Zernike多项式的波前重构 305
8.7 LC-SLM-R波前校正实验 306
8.7.1 静态波前校正实验 306
8.7.2 外场实验 313
参考文献 316
第9章 受激布里渊散射波前畸变校正技术 319
9.1 非线性光学共轭技术 319
9.2 光学相位共轭技术补偿激光波前畸变 320
9.3 受激布里渊散射理论 322
9.4 SBS相位共轭技术补偿激光传输畸变数值分析 324
9.4.1 湍流强度的影响 325
9.4.2 取样孔径的影响 326
9.4.3 传输距离的影响 328
9.5 受激布里渊散射实验研究 330
9.5.1 实验装置 330
9.5.2 SBS相位共轭镜补偿畸变系统 331
9.5.3 普通全反射镜系统 332
参考文献 334
第10章 光束模式对相干探测系统性能的影响 335
10.1 模式分解基本理论 335
10.1.1 非相干模分解数学模型 335
10.1.2 相干模分解 337
10.2 光束模式对相干探测系统性能的影响 339
10.2.1 大气湍流条件下光束模式对相干探测系统影响的数学模型 339
10.2.2 光束模式对相干探测系统性能的影响 346
10.3 1.3km相干探测系统实验结果分析 354
10.4 部分相干GSM光束通过湍流的光强分布 357
10.5 部分相干GSM光束通过湍流的模系数分布 358
10.6 湍流对光束模式的影响 359
10.6.1 光源参数对权重因子的影响 359
10.6.2 湍流参数对权重因子的影响 361
10.6.3 传输距离对权重因子的影响 362
10.7 湍流对归一化M2因子的影响 362
10.7.1 光源参数和传输距离对归一化M2因子的影响 363
10.7.2 大气湍流对归一化M2因子的影响 364
10.8 数值仿真 365
10.8.1 数值仿真光束模式的计算方法 365
10.8.2 传输距离对模式系数的影响 365
10.9 实验研究 370
10.9.1 实验原理 370
10.9.2 实验结果 370
参考文献 372