空间光通信跟瞄误差和光束漂移综合作用下的平均光强分布研究

The mean irradiance profile in the theory of the laser atmospheric propagation mainly represents the random effect result of beam wander, which will meets some challenges about correctly analyzing the free space optical communication (FSO) performance and accurately evaluating the atmospheric effects in the existence of beam wander and FSO pointing error. This proposal suggests adopting an irradiance ensemble average method to research the mean irradiance profile under the comprehensive effects of FSO pointing error and beam wander. According to the interactions between pointing error and beam wander at different link status, the mean irradiance profile model are researched under the condition of open loop pointing and close loop pointing, separately. And the numeric simulation and experiment valuation will be carried out to investigate the models’ accuracy and applicability. This proposal would correctly analyze the FSO performance and accurately evaluate the atmospheric effects at different link status, which will be helpful to intensively understand the atmospheric effects and its influence on the FSO, and will promote the practical development of FSO to some degree.

激光大气传输理论中的平均光强分布主要体现的是光束漂移的随机作用结果，当应用于同时存在光束漂移和跟瞄误差的空间光通信时，会面临终端性能分析正确性和大气效应评估准确性的挑战。本项目提出采用光强系综平均方法来研究跟瞄误差和光束漂移综合作用下的平均光强分布，根据不同链路状态下的跟瞄误差与光束漂移的相互作用特点，分别研究开环瞄准状态和闭环跟踪状态下的平均光强分布模型，通过数值仿真和实验验证手段对模型准确性和适用性进行评估。本项目的研究成果可在不同链路状态下正确分析空间光通信性能和准确评估大气效应，有助于深入认知大气效应及其影响，在一定程度上促进空间光通信实用化发展。

长周期平均光强分布是计算平均接收功率、评估空间光通信性能的基础。诸多研究普遍采用的是仅考虑光束漂移的长周期平均光强分布模型。然而空间光通信链路的建立离不开ATP（捕获跟踪对准）机构，ATP跟瞄误差会叠加在光束漂移上，共同造成大气扰动散斑重心位置的随机变化，进而导致长周期平均光强分布变化。由于难以获取光轴抖动下随机场统计方程的解析解，鲜有研究讨论这一问题。.本项目从长周期平均光强分布形成的物理机理----系综平均原理出发，原创性地提出了跟瞄误差和光束漂移共同作用下的长周期平均光强分布建模方法，并根据捕获链路和跟踪链路的不同特点，首次推导了开环瞄准误差下的长周期平均光强分布的封闭表达式和闭环跟踪误差下的长周期平均光强分布的封闭表达式，给出了光强分布廓线形态变化的判决。并建立了跟瞄误差下的多层相位屏仿真环境，验证了上述理论研究结果与仿真结果高度符合。在此基础上，进一步探索了基于长周期平均光强分布的大气信道特征参数估计方法，并开展了初步实验验证。.本项目研究攻克了空间光通信跟瞄误差和大气光束漂移综合作用下的长周期平均光强分布建模难题，可提升空间光通信终端粗精跟踪和通信性能的分析与设计的准确性，有助于针对性开发大气信道抑制技术、促进空间光通信实用化发展。