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基于多相位屏原理并利用功率谱反演法, 建立了光强闪烁对脉冲到达时刻抖动的影响模型, 仿真研究了不同接收孔径和不同传输距离条件下脉冲到达时刻抖动的变化规律。仿真结果表明:在孔径接收条件下, 脉冲到达时刻抖动呈正偏态分布; 采用大孔径接收天线可有效抑制脉冲到达时刻的抖动; 与近地端相比, 传输距离的变化对远地端脉冲到达时刻抖动的影响较小。搭建了大气湍流引起的脉冲到达时刻抖动的实验平台, 采集了经过湍流信道传播的秒脉冲波形, 利用门限检测法确定了脉冲到达时刻。实验结果表明, 脉冲到达时刻抖动分布与理论分析结果相符。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
光强闪烁对空间激光授时抖动的影响
刘 航
,
卢 麟
,
朱 勇
,
吴 传 信
,
张 宝 富
陆军工程大学通信工程学院
江苏 南京
摘要
基于多相位屏原理并利用功率谱反演法
建立了 光强 闪 烁对 脉冲 到 达时 刻抖 动 的影 响模 型
仿 真研 究了 不
同接收孔径和不同传输距离条件下脉冲到达时刻抖 动的 变 化规 律
仿 真结 果表 明
在 孔径 接收 条 件下
脉 冲到 达
时刻抖动呈正偏态分布
采用大孔径接收天线可有效抑制脉冲到达时刻的抖动
与近地端相比
传输 距 离 的 变化 对
远地 端脉 冲到达 时刻 抖动的 影响 较小
搭建 了大 气湍流 引起 的脉冲 到达 时刻抖 动 的实 验 平 台
采 集 了经 过 湍 流
信道 传播 的秒脉 冲波 形
利用 门限 检测法 确定 了脉 冲 到 达 时 刻
实 验 结 果 表 明
脉 冲 到 达 时 刻 抖 动 分 布 与 理 论
分析 结果 相符
关键词
大气光学
空间激光授时
大气湍流
光强闪烁
脉冲到达时刻抖动
中图分类号
文献标识码
doi
InfluenceofIntensit
y
ScintillationonJitterinTimeTransferb
y
S
p
aceLaserLink
Instituteo
f
CommunicationEn
g
ineerin
g
Arm
y
En
g
ineerin
g
Universit
y
Nan
j
in
g
Jian
g
su
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
国家自然科学基金
EGmail
引
言
目前的天基 时频系统以 微波链路为 授时信道
即使时间同步精度 可达纳秒 量 级
也不能满 足 时频
体系对高精度和高可靠性日益增长的需求
同基于
微波链路的授时方 案相比
空间激光 授 时具有传 递
精度高和通信容量 大等优势
并可以与 地 面光纤授
时精度相匹配
因此空间激光授时是未来构建高精
度时频传递网络的 重要组成 部 分
已成为各 国 研究
的热点
激光 在大气信道 中传播时
大气湍流造 成的折
射率起伏导致激光波阵面畸变
严 重 破 坏 激 光 的 相
干性
从而引起接 收 面 上 光 强 闪 烁
光 束 漂 移 和 光
束扩 展 等 问 题
对 于 基 于
的授时系 统
当 采 用 门
限检测法判决脉冲 到达时刻 时
光强起伏 将 导致接
光
学
学
报
收端判决脉冲到达 时刻抖动
严重影响 空 间激光授
时精度
为深入研究光强闪烁导致脉冲到达时刻抖动的
抑制及消除办法
需定量分 析 光强闪烁 对 脉冲到达
时刻抖动的影响规律
针对光强闪烁导致的空间激
光授时抖动问题
基于多相位屏原理
建立了光强闪
烁导致脉冲到达时 刻抖动的 计 算模型
利用该模 型
对不同接收孔径和不同传输距离条件下光强闪烁导
致的脉冲到达时刻 抖动进行 仿 真分析
并搭建了 大
气湍流导致脉冲到 达时刻抖 动 的实验平 台
对理论
仿真结果进行验证
光 强 闪 烁 对 脉 冲 到 达 时 刻 抖 动 的
影响模型
本模型是基于多相位屏原理仿真光强闪烁对脉
冲到达时刻抖动的影响
利用功率谱反演法构造大
气湍流相位屏
从而在接收端得到起伏的光强数值
将此起伏的光强数值设定为高斯脉冲上升沿的最高
值
重构出经过湍流扰 动 的高斯脉 冲
利用门限 判
决法得出经过光强 闪烁影响 的 脉冲到达 时 刻
统计
脉冲到达时刻的阿伦方差和标准差
由此分析光强
闪烁对脉冲到达时刻抖动的影响
多相位屏法原 理如图
所示
其基本思路 是将
传输距 离 为
z
的 大 气 信 道 划 分 为 多 个 小 份
每
z
距离上大气湍流对光束的影响近似等效到一个无限
薄的相位屏
光 场 经 过 相 位 屏 时
即 把
z
距 离
上大气湍流产生的 相位扰动 叠 加到光波 波 前上
然
后经真空传输至下一个相位 屏的位置
重 复 该 过 程
直至到达 接 收 端
产 生 受 大 气 湍 流 影 响 的 畸 变 光
场
因此
光信号 在 大 气 传 输 过 程 中 从
z
i
位 置 传
播到
z
i
z
i
z
i
i
为 相 位 屏 编
号
位置的解
可通 过 真 空 传 播 和 相 位 屏 的 随 机 相
位叠加两 个 过 程 来 实 现
其 具 体 过 程 可 用 数 学 表
达式表述为
U
r
z
i
+
=
-
z
k
K
x
K
y
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
U
r
z
i
φ
r
z
i
{ }
式中
和
分别为傅里叶变换和傅里叶逆变
换
U
r
z
i
和
U
r
z
i
分 别 为 与 发 射 端 距 离 为
z
i
和
z
i
处的光波复振幅
K
x
和
K
y
分别为
x
方向
和
y
方向的空 间 波数
k
为波数
k
λ
λ
为 波
长
φ
r
z
i
为传播过程中第
i
个相位屏对应的随机
相位
图
多相位屏原理示意图
21
随机相位屏构建
采用功率谱 反演法进行 大气相位屏 数值模拟
其基本思路为
利用 符 合大气湍 流 相位扰动 的 功率
谱函数
F
φ
K
x
K
y
对 频 域 内 均 值 为
方 差 为
的
复高斯随机矩阵函数
h
K
x
K
y
进行
滤波
然后进行傅里 叶 逆变换即 可 得到随机 相 位屏
函数
φ
x
y
采用
谱
整个过程
可表示为
φ
x
y
=
K
x
K
y
K
x
K
y
h
K
x
K
y
×
F
φ
K
x
K
y
K
x
x
+
K
y
y
F
φ
K
x
K
y
r
-
K
-
式中
K
x
和
K
y
分别为
x
方向和
y
方向上的空
间波数间隔
K
为 三 维 空 间 波 数
r
为 大 气 相 干 长
度
用来反映大气湍流强度
其数学表达式为
r
.
k
α
L
C
z
z
-
式中
α
为激光链路发 送天顶 角
C
z
为湍流折 射
率结 构 常 数
当 光 信 号 在 斜 程 路 径 传 播 时
选 取
模 型 计 算 折 射 率 结 构 常 数 随 高 度
的变化
即
C
z
=
.
v
æ
è
ç
ö
ø
÷
-
z
z
æ
è
ç
ö
ø
÷
+
.
×
-
z
æ
è
ç
ö
ø
÷
+
C
z
æ
è
ç
ö
ø
÷
式中
v
为
高度处平均风速
C
为地面湍
流折射 率 结 构 常 数
当
v
C
时
即为
模型
对于 斜程链路
由于路径上 的折射率起 伏强度
不均匀
若仍设置等间距的相位屏
则强起伏区不能
被充分采样
而 弱 起 伏 区 被 过 度 采 样
导 致 计 算 误
差
采取等
指数间隔相位屏
设置相位屏
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