CN107800475B - 大气湍流光传输信道的信号时间起伏均方根带宽测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大气湍流光传输信道的信号时间起伏均方根带宽测量方法，该方法首先测量发射功率恒定的连续激光经大气湍流信道传输后的光信号时间起伏数据；然后再对测量得到的光信号时间起伏数据进行处理，得到光信号起伏时间协方差函数的离散测量数据；最后根据光信号起伏时间协方差函数的离散测量数据，利用差值定理及其推论解算测量数据二阶导数方法来计算出光信号起伏时间协方差函数的二阶导数，并依据光信号时间起伏均方根带宽与光信号起伏时间协方差函数及其二阶导数的关系来解算出光信号时间起伏均方根带宽的值。

Description

大气湍流光传输信道的信号时间起伏均方根带宽测量方法
技术领域
本发明涉及一种大气湍流光传输信道的信号时间起伏均方根带宽测量方法，属于大气信道光传输技术领域。
背景技术
大气湍流导致无线激光通信系统的光信号发生随机起伏，引起激光通信系统性能降低。为了分析和理解大气湍流对无线激光通信系统的影响并设计相应的抑制措施，需要对实际大气光传输信道中的光信号时间起伏的均方根带宽进行测量。光信号时间起伏的均方根带宽定义为：
其中，ω表示时间角频率，SI(ω)表示光信号随机起伏的时间功率谱函数。光信号时间起伏的均方根带宽是分析光信号平均衰落周期的关键参数。发表在2002年SPIE会议论文集第4635卷的论文《Performance Analysis of Free-space,On-Off-Keying OpticalCommunication Systems Impaired by Turbulence》给出了根据光信号起伏时间协方差函数计算光信号时间起伏的均方根带宽的表达式：
其中，BI(τ)表示光信号起伏时间协方差函数，τ为光信号起伏时间协方差函数的时间差参数，B″I(τ)表示BI(τ)的二阶导数。就大气湍流光传输信道而言，发射功率恒定的连续激光信号被光学接收系统接收后在若干分钟量级的时间内通常可以看作是统计平稳随机信号，即BI(τ)＝BI(-τ)。
发表在《数学物理学报》2015年35A卷6期上的论文《差值定理在离散数据二阶导数解算中的应用》介绍了利用差值定理及其推论解算测量数据二阶导数方法来根据离散测量数据计算二阶导数的技术。在获得了BI(τ)的离散测量值后，可以用该技术来计算B″I(τ)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大气湍流光传输信道的信号时间起伏均方根带宽测量方法，通过测量经大气湍流信道传输后的光信号时间起伏数据，得出光信号时间起伏均方根带宽。
本发明的技术方案是这样实现的：大气湍流光传输信道的信号时间起伏均方根带宽测量方法，其特征在于：需要使用激光器、光学发射系统、光学接收系统、光电探测器、数据采集与计算机系统；激光器发射的功率恒定的连续激光信号A001经光学发射系统发射到大气湍流信道中，激光信号A001经大气湍流信道传输后，通过光学接收系统入射到光电探测器上，光电探测器输出的电信号经数据采集与计算机系统进行模数转换并存储到计算机文件中。具体的测量方法如下：
1)探测并记录激光信号A001经大气湍流信道传输后的时间起伏数据，具体步骤如下：
步骤Step101：使光学发射系统和光学接收系统的光轴相互对准，使激光器、光电探测器、数据采集与计算机系统正常工作；
步骤Step102：设置数据采集与计算机系统的信号采样时间间隔为Δt；设置数据采集时间长度为T；
步骤Step103：在数据采集与计算机系统的磁盘中创建一个新文件B001；令NS＝NS表示采样总次数，表示对x向下取整；
步骤Step104：在数据采集与计算机系统中创建一个计数器counter，设置计数器counter的初始值为NS；在数据采集与计算机系统中创建一个计时器timer，设置计时器timer的初始值为0，计时器timer从开始数据采集时刻起进行系统计时，计时器timer记录逝去的时间；在数据采集与计算机系统中，执行如下子步骤：
步骤Step104-1：判断counter是否大于0，如果为否，则转步骤Step104-3；
步骤Step104-2：数据采集与计算机系统在计时器timer等于(NS-counter)×Δt的时刻执行如下操作：
对光电探测器输出的电信号进行采样和模数转换，把得到的模数转换结果B002保存到文件B001中，结果B002表示对光学接收系统接收到的激光信号A001的一次测量结果；令counter＝counter-1；转步骤Step104-1；
步骤Step104-3：探测和采集结束；
结果B002在文件B001中按时间先后顺序保存；文件B001中的第1个结果B002为对光学接收系统接收到的激光信号A001的第1次探测采样得到的结果B002；文件B001中的第2个结果B002为对光学接收系统接收到的激光信号A001的第2次探测采样得到的结果B002，其他依次类推；
2)对文件B001中记录的NS个结果B002进行处理，得到光信号时间起伏均方根带宽，具体步骤如下：
步骤Step201：在数据采集与计算机系统的存储器中创建一个包含NS个元素的一维数组ARR；对于i＝1,2,…,NS，把文件B001中的第i个结果B002赋值给ARR[i]，ARR[i]表示数组ARR的第i个元素；
步骤Step202：在数据采集与计算机系统的存储器中创建一个包含Nu个元素的数组μ，δT表示要分析的光信号起伏时间协方差函数的时间差参数最大值，0<δT<T/100，数组μ用于存储光信号起伏时间协方差函数值；对n＝1,2,…,Nu,执行如下操作：
令其中μ[n]表示数组μ的第n个元素，ARR[i+n]表示数组ARR的第i+n个元素；
步骤Step203：首先根据数组μ的元素值和Δt，确定光信号起伏时间协方差函数BI(τ)在τ＝nΔt处的测量值BI(τ＝nΔt)＝μ[n]，其中n＝1,2,…,Nu；然后根据概率与随机过程理论可得BI(τ)在τ＝0处的测量值在此基础上，再利用关系BI(τ)＝BI(-τ)，可得BI(τ)在τ＝mΔt处的测量值BI(τ＝mΔt)＝BI(τ＝|m|Δt)，m＝-Nu,…,-3,-2,-1,0,1,2,3,…,Nu；
步骤Step204：根据BI(τ)在τ＝mΔt处的测量值BI(τ＝mΔt)，其中m＝-Nu,…,-3,-2,-1,0,1,2,3,…,Nu，利用差值定理及其推论解算测量数据二阶导数方法来计算B″I(τ＝0)的值；光信号时间起伏的均方根带宽BRMS为：
本发明的积极效果是通过测量经过大气湍流信道传输的激光信号的时间起伏均方根带宽，可以为分析大气湍流对无线激光通信系统的影响提供实测数据支持，进而为无线激光通信系统的优化设计提供依据。
附图说明
图1为大气湍流光传输信道的光信号时间起伏测量系统组成结构示意图。
具体实施方式
为了使本方法的特征和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例对本方法作进一步的描述。在本实施例中，激光器(101)选择半导体连续激光器，光电探测器(104)选择PIN光电二极管，T＝10分钟，Δt＝0.5毫秒，δT＝20毫秒。
如图1所示，需要使用激光器(101)、光学发射系统(102)、光学接收系统(103)、光电探测器(104)、数据采集与计算机系统(105)；激光器(101)发射的功率恒定的连续激光信号A001经光学发射系统(102)发射到大气湍流信道中，激光信号A001经大气湍流信道传输后，通过光学接收系统(103)入射到光电探测器(104)上，光电探测器(104)输出的电信号经数据采集与计算机系统(105)进行模数转换并存储到计算机文件中。具体的测量方法如下：
1)探测并记录激光信号A001经大气湍流信道传输后的时间起伏数据，具体步骤如下：
步骤Step101：使光学发射系统(102)和光学接收系统(103)的光轴相互对准，使激光器(101)、光电探测器(104)、数据采集与计算机系统(105)正常工作；
步骤Step102：设置数据采集与计算机系统(105)的信号采样时间间隔为Δt；设置数据采集时间长度为T；
步骤Step103：在数据采集与计算机系统(105)的磁盘中创建一个新文件B001；令NS＝NS表示采样总次数，表示对x向下取整；
步骤Step104：在数据采集与计算机系统(105)中创建一个计数器counter，设置计数器counter的初始值为NS；在数据采集与计算机系统(105)中创建一个计时器timer，设置计时器timer的初始值为0，计时器timer从开始数据采集时刻起进行系统计时，计时器timer记录逝去的时间；在数据采集与计算机系统(105)中，执行如下子步骤：
步骤Step104-1：判断counter是否大于0，如果为否，则转步骤Step104-3；
步骤Step104-2：数据采集与计算机系统(105)在计时器timer等于(NS-counter)×Δt的时刻执行如下操作：
对光电探测器(104)输出的电信号进行采样和模数转换，把得到的模数转换结果B002保存到文件B001中，结果B002表示对光学接收系统(103)接收到的激光信号A001的一次测量结果；令counter＝counter-1；转步骤Step104-1；
步骤Step104-3：探测和采集结束；
结果B002在文件B001中按时间先后顺序保存；文件B001中的第1个结果B002为对光学接收系统(103)接收到的激光信号A001的第1次探测采样得到的结果B002；文件B001中的第2个结果B002为对光学接收系统(103)接收到的激光信号A001的第2次探测采样得到的结果B002，其他依次类推；
2)对文件B001中记录的NS个结果B002进行处理，得到光信号时间起伏均方根带宽，具体步骤如下：
步骤Step201：在数据采集与计算机系统(105)的存储器中创建一个包含NS个元素的一维数组ARR；对于i＝1,2,…,NS，把文件B001中的第i个结果B002赋值给ARR[i]，ARR[i]表示数组ARR的第i个元素；
步骤Step202：在数据采集与计算机系统(105)的存储器中创建一个包含Nu个元素的数组μ，δT表示要分析的光信号起伏时间协方差函数的时间差参数最大值，0<δT<T/100，数组μ用于存储光信号起伏时间协方差函数值；对n＝1,2,…,Nu,执行如下操作：
令其中μ[n]表示数组μ的第n个元素，ARR[i+n]表示数组ARR的第i+n个元素；
步骤Step203：首先根据数组μ的元素值和Δt，确定光信号起伏时间协方差函数BI(τ)在τ＝nΔt处的测量值BI(τ＝nΔt)＝μ[n]，其中n＝1,2,…,Nu；然后根据概率与随机过程理论可得BI(τ)在τ＝0处的测量值在此基础上，再利用关系BI(τ)＝BI(-τ)，可得BI(τ)在τ＝mΔt处的测量值BI(τ＝mΔt)＝BI(τ＝|m|Δt)，m＝-Nu,…,-3,-2,-1,0,1,2,3,…,Nu；
步骤Step204：根据BI(τ)在τ＝mΔt处的测量值BI(τ＝mΔt)，其中m＝-Nu,…,-3,-2,-1,0,1,2,3,…,Nu，利用差值定理及其推论解算测量数据二阶导数方法来计算B″I(τ＝0)的值；光信号时间起伏的均方根带宽BRMS为：

Claims (1)

1.大气湍流光传输信道的信号时间起伏均方根带宽测量方法，其特征在于：需要使用激光器、光学发射系统、光学接收系统、光电探测器、数据采集与计算机系统；激光器发射的功率恒定的连续激光信号A001经光学发射系统发射到大气湍流信道中，激光信号A001经大气湍流信道传输后，通过光学接收系统入射到光电探测器上，光电探测器输出的电信号经数据采集与计算机系统进行模数转换并存储到计算机文件中；具体的测量方法如下：
1)探测并记录激光信号A001经大气湍流信道传输后的时间起伏数据，具体步骤如下：
步骤Step101：使光学发射系统和光学接收系统的光轴相互对准，使激光器、光电探测器、数据采集与计算机系统正常工作；
步骤Step102：设置数据采集与计算机系统的信号采样时间间隔为Δt；设置数据采集时间长度为T；
步骤Step103：在数据采集与计算机系统的磁盘中创建一个新文件B001；令NS表示采样总次数，表示对x向下取整；
步骤Step104：在数据采集与计算机系统中创建一个计数器counter，设置计数器counter的初始值为NS；在数据采集与计算机系统中创建一个计时器timer，设置计时器timer的初始值为0，计时器timer从开始数据采集时刻起进行系统计时，计时器timer记录逝去的时间；在数据采集与计算机系统中，执行如下子步骤：
步骤Step104-1：判断counter是否大于0，如果为否，则转步骤Step104-3；
步骤Step104-2：数据采集与计算机系统在计时器timer等于(NS-counter)×Δt的时刻执行如下操作：
对光电探测器输出的电信号进行采样和模数转换，把得到的模数转换结果保存到文件B001中，模数转换结果表示对光学接收系统接收到的激光信号A001的一次测量结果；令counter＝counter-1；转步骤Step104-1；
步骤Step104-3：探测和采集结束；
模数转换结果在文件B001中按时间先后顺序保存；文件B001中的第1个模数转换结果为对光学接收系统接收到的激光信号A001的第1次探测采样得到的模数转换结果；文件B001中的第2个模数转换结果为对光学接收系统接收到的激光信号A001的第2次探测采样得到的模数转换结果，其他依次类推；
2)对文件B001中记录的NS个模数转换结果进行处理，得到光信号时间起伏均方根带宽，具体步骤如下：
步骤Step201：在数据采集与计算机系统的存储器中创建一个包含NS个元素的一维数组ARR；对于i＝1,2,…,NS，把文件B001中的第i个模数转换结果赋值给ARR[i]，ARR[i]表示数组ARR的第i个元素；
步骤Step202：在数据采集与计算机系统的存储器中创建一个包含Nu个元素的数组μ，δT表示要分析的光信号起伏时间协方差函数的时间差参数最大值，0<δT<T/100，数组μ用于存储光信号起伏时间协方差函数值；对n＝1,2,…,Nu,执行如下操作：
令其中μ[n]表示数组μ的第n个元素，ARR[i+n]表示数组ARR的第i+n个元素；
步骤Step203：首先根据数组μ的元素值和Δt，确定光信号起伏时间协方差函数BI(τ)在τ＝nΔt处的测量值BI(τ＝nΔt)＝μ[n]，其中n＝1,2,…,Nu；然后根据概率与随机过程理论可得BI(τ)在τ＝0处的测量值在此基础上，再利用关系BI(τ)＝BI(-τ)，可得BI(τ)在τ＝mΔt处的测量值BI(τ＝mΔt)＝BI(τ＝|m|Δt)，m＝-Nu,…,-3,-2,-1,0,1,2,3,…,Nu；
步骤Step204：根据BI(τ)在τ＝mΔt处的测量值BI(τ＝mΔt)，其中m＝-Nu,…,-3,-2,-1,0,1,2,3,…,Nu，利用差值定理及其推论解算测量数据二阶导数方法来计算B″I(τ＝0)的值；光信号时间起伏的均方根带宽BRMS为：
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