CN103618568B - 湍流大气信道中的激光脉冲传输时间展宽及信道传递函数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种湍流大气信道中的激光脉冲传输时间展宽及信道传递函数测量方法，属于无线激光通信技术领域。本方法将窄带高斯光脉冲序列发射到湍流大气信道中传输，在接收端对光脉冲序列进行探测和波形采样，并将采样数据保存为文件；在对脉冲波形采样数据求系综平均的基础上，用数据拟合方法解算出系综平均高斯脉冲波形参数，进而求出湍流大气信道传递函数。利用本方法可得到湍流大气信道传递函数的解析表达式，这使得基于实测数据对湍流大气信道特性进行理论分析变得更加容易。

Description

湍流大气信道中的激光脉冲传输时间展宽及信道传递函数测量方法

技术领域

本发明属于无线激光通信技术领域，涉及一种湍流大气信道中的激光脉冲传输时间展宽及信道传递函数测量方法。

背景技术

无线激光通信具有保密性好、部署机动灵活、无需频带申请等优点，近年来受到人们的普遍关注。当无线激光通信系统工作在地球大气环境中时，地球大气会造成激光脉冲在时间上出现展宽。对于使用强度调制/直接探测方式的无线激光通信系统，通信激光脉冲时间展宽会引起码间串扰，造成通信系统性能降低。因此对实际湍流大气信道中的激光脉冲时间展宽进行测量，以此为依据进而获得湍流大气信道传递函数，对大气环境中的无线激光通信系统性能分析及优化设计具有重要意义。

发表在《App1iedOptics》37卷33期7655-7660页和SPIE会议论文集3266卷231-240页的两篇论文通过理论建模研究指出：窄带高斯光脉冲信号经弱湍流大气信道传输后，在近场和远场条件下接收机收到的系综平均光脉冲信号在时间上都保持高斯函数形状，只是系综平均光脉冲信号的时间宽度变得更宽，即发生了脉冲时间展宽。发表在《OpticsExpress》20卷7期7749-7757页的论文发现，窄带高斯光脉冲信号经强湍流大气信道传输后，接收机收到的系综平均光脉冲信号在时间上也保持高斯函数形状。对于实际无线激光通信系统来说，接收机收到的系综平均光脉冲时间宽度与发射机发射的光脉冲时间宽度之比，能够从统计上定量地描述光脉冲经湍流大气信道传输后发生的时间展宽程度，是一个重要的物理量。对于高斯光脉冲来说，可以定义高斯光脉冲经湍流大气信道传输后的系综平均时间展宽比为接收机收到的高斯光脉冲系综平均时间宽度与发射机发射的高斯光脉冲时间宽度之比。在数学上，发射机发射的光脉冲可表示为p_i(t)=v_i(t)exp(-iω₀t)，v_i(t)表示脉冲时间形状，ω₀表示光载波角频率，接收机收到的系综平均光脉冲可表示为p_o(t)=v_o(t)exp(-i_ωt)，v_o(t)表示系综平均脉冲时间形状。从线性系统的角度，可得P_o(ω)=H(ω)P_i(ω)，P_o(ω)为p_o(t)的傅里叶变换，P_i(ω)为p_i(t)的傅里叶变换，H(ω)表示湍流大气信道的传递函数。由于发射机发射的光脉冲的峰值和接收机收到的系综平均光脉冲的峰值通常是不同的，因此H(ω)包含一个不依赖于角频率ω的比例系数c_k。比例系数c_k只表征了光脉冲经湍流大气信道传输所受的衰减情况，其受激光束散角、光束半径、传输距离等多种因素影响。实际上，在分析光脉冲湍流大气传输时间展宽以及脉冲形状变化时，令比例系数c_k为1也不会影响分析结果。因此，在测量湍流大气信道的传递函数时，可不测比例系数c_k。从前面的分析可知，只要知道湍流大气信道的传递函数H(ω)和发射机发射的光脉冲信号p_i(t)，即可求出P_o(ω)，进而用逆傅里叶变换得到P_o(t)，在此基础上就可分析湍流大气信道对通信光脉冲传输产生的时间展宽和形状变化影响。所以测量实际湍流大气信道的传递函数非常有意义。由于高斯函数的傅里叶变换仍然是高斯函数，即v_o(t)=exp(-t²/b²)的傅里叶变换为因此使用高斯光脉冲传输能使湍流大气信道传递函数的测量变得更容易。

发明内容

本方法的目的在于提供一种湍流大气信道中的激光脉冲传输时间展宽及信道传递函数测量方法。本方法需要使用激光信号发射装置和激光信号接收与探测装置。激光信号发射装置如图1所示，其包括激光器101、信号发生器102、电光调制器103、光学发射系统104。激光信号接收与探测装置如图2所示，其包括光学接收系统201、光电探测器202、示波器203。从激光器101发出的激光信号A001入射到电光调制器103的光信号输入端；信号发生器102产生的电脉冲信号A002传送到电光调制器103的电信号输入端；电光调制器103将电脉冲信号A002调制到激光信号A001上，调制后的激光信号A003再经光学发射系统104发射到湍流大气信道中。调制后的激光信号A003经湍流大气信道传输后，通过光学接收系统201入射到光电探测器202上，光电探测器202的输出电信号再传送到示波器203的输入端。

本方法的第一部分探测并记录激光脉冲经湍流大气信道传输后的波形采样数据，具体步骤如下：

Step001：将激光信号发射装置和激光信号接收与探测装置分别置于湍流大气信道的两端。开通激光器101，使其输出连续激光信号。设置信号发生器102，使其输出一电脉冲序列A004，如图3所示。在电脉冲序列A004中，各脉冲都为形状相同的高斯脉冲，相邻两个脉冲的峰值的间隔时间为T，每个脉冲的时间宽度为τ，且相邻两个脉冲之间互不重叠。电光调制器103输出的光脉冲序列A005经光学发射系统104进入湍流大气信道传输；

Step002：使光学接收系统201和光学发射系统104的光轴对准，开通示波器203，设置示波器203的采样时间间隔Δt=T/M，M为一个正奇数；并用示波器203记录光电探测器202探测到的脉冲序列波形采样数据A005；

通过不断重复Step001和Step002，可以记录下大量的脉冲序列波形采样数据A005；每执行一次Step001和Step002可得到一组脉冲序列波形采样数据A005，并将其保存为一个单独的波形采样文件。

本方法的第二部分根据保存的所有波形采样文件中的脉冲序列波形采样数据A005，计算高斯脉冲经湍流大气信道传输后的平均时间展宽比，具体步骤如下：

Step101：创建一个具有M个元素的数组INTP，并将数组INTP的每个元素都设置为0；令NUM=0；对本方法的第一部分中保存的所有波形采样文件中的每个波形采样文件FW，执行如下步骤：

Step101-1：读取波形采样文件FW，将其中的脉冲序列波形采样数据A005的采样序列赋值给一个数组W，数组W的第i个元素表示为W[i]，i表示数组元素的编号，1≤i≤N，N为采样序列的采样个数；数组W中的每个元素与一个特定的时刻对应，如图4所示；图4中的每个小叉代表一个采样，与脉冲序列波形采样数据A005的采样序列中的一个采样相对应；

Step101-2：令脉冲序列波形采样数据A005的采样序列的第一个采样对应的时刻为0，则W[i]对应的采样对应的时刻为(i-1)Δt；计算脉冲序列波形采样数据A005中的第一个脉冲对应的波形采样序列中的幅度值最大的采样对应的数组W的元素的编号j，参见图4，即计算图4中的t₀时刻对应的采样对应的数组W的元素的编号；如果j-(M-1)/2＜1，则令j=j+M；

Step101-2-1：令idx=j，n=1，NUM=NUM+1；

Step101-2-2-令INTP[n]=INTP[n]+W[j-(M-1)/2+n-1]，INTP[n]表示数组INTP的第n个元素；

Step101-2-3：令n=n+1；如果n≤M，则转步骤Step101-2-2，否则转步骤Step101-2-4；

Step101-2-4：如果idx+M+(M-1)/2≤N，则令j=j+M，转步骤Step101-2-5，否则转步骤Step101-3；

Step101-2-5：令n=1，NUM=NUM+1；

Step101-2-6：令INTP[n]=W[j-(M-1)/2+n-1]+INTP[n]；

Step101-2-7：令n=n+1；如果n≤M，转步骤Step101-2-6，否则转步骤Step101-2-8。

Step101-2-8：令idx=idx+M，转步骤Step101-2-4；

Step101-3：针对波形采样文件FW所需执行的操作结束；

Step102：令n=1；

Step102-1：令INTP[n]=INTP[n]/NUM；

Step102-2：令n=n+1；如果n≤M，转步骤Step102-1，否则转步骤Step102-3；

Step102-3：令数组INTP的第一个元素对应的时刻为0，则数组INTP的第i个元素对应的时刻为(i-1)Δt，1≤i≤M；根据数组INTP的各个元素值及其对应的时刻，可以得到一个数据序列(x_i，y_i)，x_i=(i-1)Δt，y_i=INTP[i]，1≤i≤M；用函数拟合数据序列(x_i，y_i)，1≤i≤M，求出参数a、b、c、d的值。高斯光脉冲经湍流大气信道传输后的平均时间宽度即为2b；高斯光脉冲经湍流大气信道传输后的平均时间展宽比即为2b/τ。

本方法的第三部分计算湍流大气信道传递函数H(ω)，具体方法是：

其中ω₀是激光器101输出激光信号的角频率。

有益效果

本发明提供了一种湍流大气信道中的激光脉冲传输时间展宽及信道传递函数测量方法。本方法首先在接收端对高斯光脉冲波形进行采样并保存采样数据，然后对采样数据求系综平均，再用数据拟合方法解算出系综平均高斯脉冲波形参数；在此基础上求出湍流大气信道传递函数。由于本方法发射高斯形状的窄带光脉冲，接收端收到的系综平均光脉冲仍然能保持高斯形状，因此可以用数据拟合方法直接求出收到的系综平均光脉冲参数，利用傅里叶变换可容易地求出湍流大气信道传递函数的解析表达式，这使得基于实测数据对湍流大气信道特性进行理论分析变得更加容易。利用本方法可以为分析大气湍流对无线激光通信链路性能的影响提供测量数据支持。

附图说明

图1是激光信号发射装置示意图。图2是激光信号接收与探测装置示意图。图3是信号发生器输出的电脉冲序列示意图。图4是脉冲序列波形采样数据的采样序列示意图。

具体实施方式

为了使本发明的特征和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例对本发明作进一步的描述。

激光器选择800nm波段的窄线宽激光器，信号发生器选择泰克AWG7000任意波形发生器，电光调制器选择Phot1ine公司的铌酸锂电光调制器，光电探测器选择PIN光电二极管，示波器选择安捷伦数字示波器MSO9404A。

本方法需要使用激光信号发射装置和激光信号接收与探测装置。激光信号发射装置如图1所示，其包括激光器101、信号发生器102、电光调制器103、光学发射系统104。激光信号接收与探测装置如图2所示，其包括光学接收系统201、光电探测器202、示波器203。从激光器101发出的激光信号A001入射到电光调制器103的光信号输入端；信号发生器102产生的电脉冲信号A002传送到电光调制器103的电信号输入端；电光调制器103将电脉冲信号A002调制到激光信号A001上，调制后的激光信号A003再经光学发射系统104发射到湍流大气信道中。调制后的激光信号A003经湍流大气信道传输后，通过光学接收系统201入射到光电探测器202上，光电探测器202的输出电信号再传送到示波器203的输入端。

本方法的第一部分探测并记录激光脉冲经湍流大气信道传输后的波形采样数据，具体步骤如下：

Step001：将激光信号发射装置和激光信号接收与探测装置分别置于湍流大气信道的两端。开通激光器101，使其输出连续激光信号。设置信号发生器102，使其输出一电脉冲序列A004，如图3所示。在电脉冲序列A004中，各脉冲都为形状相同的高斯脉冲，相邻两个脉冲的峰值的间隔时间为T，每个脉冲的时间宽度为τ，且相邻两个脉冲之间互不重叠。电光调制器103输出的光脉冲序列A005经光学发射系统104进入湍流大气信道传输；

Step002：使光学接收系统201和光学发射系统104的光轴对准，开通示波器203，设置示波器203的采样时间间隔Δt=T/M，M为一个正奇数；并用示波器203记录光电探测器202探测到的脉冲序列波形采样数据A005；

通过不断重复Step001和Step002，可以记录下大量的脉冲序列波形采样数据A005；每执行一次Step001和Step002可得到一组脉冲序列波形采样数据A005，并将其保存为一个单独的波形采样文件。

本方法的第二部分根据保存的所有波形采样文件中的脉冲序列波形采样数据A005，计算高斯脉冲经湍流大气信道传输后的平均时间展宽比，具体步骤如下：

Step101：创建一个具有M个元素的数组INTP，并将数组INTP的每个元素都设置为0；令NUM=0；对本方法的第一部分中保存的所有波形采样文件中的每个波形采样文件FW，执行如下步骤：

Step101-1：读取波形采样文件FW，将其中的脉冲序列波形采样数据A005的采样序列赋值给一个数组W，数组W的第i个元素表示为W[i]，i表示数组元素的编号，1≤i≤N，N为采样序列的采样个数；数组W中的每个元素与一个特定的时刻对应，如图4所示；图4中的每个小叉代表一个采样，与脉冲序列波形采样数据A005的采样序列中的一个采样相对应；

Step101-2：令脉冲序列波形采样数据A005的采样序列的第一个采样对应的时刻为0，则W[i]对应的采样对应的时刻为(i-1)Δt；计算脉冲序列波形采样数据A005中的第一个脉冲对应的波形采样序列中的幅度值最大的采样对应的数组W的元素的编号j，参见图4，即计算图4中的t₀时刻对应的采样对应的数组W的元素的编号；如果j-(M-1)/2＜1，则令j=j+M；

Step101-2-1：令idx=j，n=1，NUM=NUM+1；

Step101-2-2：令INTP[n]=INTP[n]+W[j-(M-1)/2+n-1]，INTP[n]表示数组INTP的第n个元素；

Step101-2-3：令n=n+1；如果n≤M，则转步骤Step101-2-2，否则转步骤Step101-2-4：

Step101-2-4：如果idx+M+(M-1)/2≤N，则令j=j+M，转步骤Step101-2-5，否则转步骤Step101-3；

Step101-2-5：令n=1，NUM=NUM+1；

Step101-2-6：令INTP[n]=W[j-(M-1)/2+n-1]+INTP[n]；

Step101-2-7：令n=n+1；如果n≤M，转步骤Step101-2-6，否则转步骤Step101-2-8。

Step101-2-8：令idx=idx+M，转步骤Step101-2-4；

Step101-3：针对波形采样文件FW所需执行的操作结束；

Step102：令n=1；

Step102-1：令INTP[n]＝INTP[n]/NUM；

Step102-2：令n=n+1；如果n≤M，转步骤Step102-1，否则转步骤Step102-3；

Step102-3：令数组INTP的第一个元素对应的时刻为0，则数组INTP的第i个元素对应的时刻为(i-1)Δt，1≤i≤M；根据数组INTP的各个元素值及其对应的时刻，可以得到一个数据序列(x_i，y_i)，x_i=(i-1)Δt，y_i=INTP[i]，1≤i≤M；用函数拟合数据序列(x_i，y_i)，1≤i≤M，求出参数a、b、c、d的值。高斯光脉冲经湍流大气信道传输后的平均时间宽度即为2b；高斯光脉冲经湍流大气信道传输后的平均时间展宽比即为2b/τ。

本方法的第三部分计算湍流大气信道传递函数H(ω)，具体方法是：

其中ω₀是激光器101输出激光信号的角频率。

在实际测量时，应该保证接收到的光脉冲序列中的两相邻脉冲互不重叠；为了实现这一目的，在测量过程中应该实时观察示波器，如果发现接收到的光脉冲序列中的相邻脉冲发生了重叠，则增大步骤Step001中的参数T的值，直到接收到的光脉冲序列中的相邻脉冲互不重叠为止。在实际测量过程中，步骤Step002中的示波器203的总采样时间TS应该足够长，即每个波形采样文件应该包含足够多的采样；在本实施例中，设置总采样时间TS≥10T。

Claims (1)

1.一种湍流大气信道中的激光脉冲传输时间展宽及信道传递函数测量方法，其特征在于，所需的设备及实现步骤如下：

目的在于提供一种湍流大气信道中的激光脉冲传输时间展宽及信道传递函数测量方法；本方法需要使用激光信号发射装置和激光信号接收与探测装置；激光信号发射装置包括激光器(101)、信号发生器(102)、电光调制器(103)、光学发射系统(104)；激光信号接收与探测装置包括光学接收系统(201)、光电探测器(202)、示波器(203)；从激光器(101)发出的激光信号A001入射到电光调制器(103)的光信号输入端；信号发生器(102)产生的电脉冲序列A004传送到电光调制器(103)的电信号输入端；电光调制器(103)将电脉冲序列A004调制到激光信号A001上，调制后得到的光脉冲序列A005再经光学发射系统(104)发射到湍流大气信道中；光脉冲序列A005经湍流大气信道传输后，通过光学接收系统(201)入射到光电探测器(202)上，光电探测器(202)的输出电信号再传送到示波器(203)的输入端；

本方法的第一部分探测并记录激光脉冲经湍流大气信道传输后的波形采样数据，具体步骤如下：

Step001：将激光信号发射装置和激光信号接收与探测装置分别置于湍流大气信道的两端；开通激光器(101)，使其输出连续激光信号；设置信号发生器(102)，使其输出一电脉冲序列A004；在电脉冲序列A004中，各脉冲都为形状相同的高斯脉冲，相邻两个脉冲的峰值的间隔时间为T，每个脉冲的时间宽度为τ，且相邻两个脉冲之间互不重叠；电光调制器(103)输出的光脉冲序列A005经光学发射系统(104)进入湍流大气信道传输；

Step002：使光学接收系统(201)和光学发射系统(104)的光轴对准，开通示波器(203)，设置示波器(203)的采样时间间隔Δt＝T/M，M为一个正奇数；并用示波器(203)记录光电探测器(202)探测到的脉冲序列波形采样数据A005；

通过不断重复Step001和Step002，可以记录下大量的脉冲序列波形采样数据A005；每执行一次Step001和Step002可得到一组脉冲序列波形采样数据A005，并将其保存为一个单独的波形采样文件；

本方法的第二部分根据保存的所有波形采样文件中的脉冲序列波形采样数据A005，计算高斯脉冲经湍流大气信道传输后的平均时间展宽比，具体步骤如下：

Step101：创建一个具有M个元素的数组INTP，并将数组INTP的每个元素都设置为0；令NUM＝0；对本方法的第一部分中保存的所有波形采样文件中的每个波形采样文件FW，执行如下步骤：

Step101-1：读取波形采样文件FW，将其中的脉冲序列波形采样数据A005的采样序列赋值给一个数组W，数组W的第i个元素表示为W[i]，i表示数组元素的编号，1≤i≤N，N为采样序列的采样个数；数组W中的每个元素与一个特定的时刻对应；

Step101-2：令脉冲序列波形采样数据A005的采样序列的第一个采样对应的时刻为0，则W[i]对应的采样对应的时刻为(i-1)Δt；计算脉冲序列波形采样数据A005中的第一个脉冲对应的波形采样序列中的幅度值最大的采样对应的数组W的元素的编号j；如果j-(M-1)/2＜1，则令j＝j+M；

Step101-2-1：令idx＝j，n＝1，NUM＝NUM+1；

Step101-2-2：令INTP[n]＝INTP[n]+W[j-(M-1)/2+n-1]，INTP[n]表示数组INTP的第n个元素；

Step101-2-3：令n＝n+1；如果n≤M，则转步骤Step101-2-2，否则转步骤Step101-2-4；

Step101-2-4：如果idx+M+(M-1)/2≤N，则令j＝j+M，转步骤Step101-2-5，否则转步骤Step101-3；

Step101-2-5：令n＝1，NUM＝NUM+1；

Step101-2-6：令INTP[n]＝W[j-(M-1)/2+n-1]+INTP[n]；

Step101-2-7：令n＝n+1；如果n≤M，转步骤Step101-2-6，否则转步骤Step101-2-8；

Step101-2-8：令idx＝idx+M，转步骤Step101-2-4；

Step101-3：针对波形采样文件FW所需执行的操作结束；

Step102：令n＝1；

Step102-1：令INTP[n]＝INTP[n]/NUM；

Step102-2：令n＝n+1；如果n≤M，转步骤Step102-1，否则转步骤Step102-3；

Step102-3：令数组INTP的第一个元素对应的时刻为0，则数组INTP的第i个元素对应的时刻为(i-1)Δt，1≤i≤M；根据数组INTP的各个元素值及其对应的时刻，可以得到一个数据序列(x_i，y_i)，x_i＝(i-1)Δt，y_i＝INTP[i]，1≤i≤M；用函数拟合数据序列(x_i，y_i)，1≤i≤M，求出参数a、b、c、d的值；高斯光脉冲经湍流大气信道传输后的平均时间宽度即为2b；高斯光脉冲经湍流大气信道传输后的平均时间展宽比即为2b/τ；

本方法的第三部分计算湍流大气信道传递函数H(ω)，具体方法是：

其中ω₀是激光器(101)输出激光信号的角频率。