基于毫米波束轨道角动量的空间通信理论与方法研究

大信息容量、高安全性的毫米波通信是近年来国际通讯领域研究的热点之一，在国家安全、军事信息传输、海量遥感信息传输等领域有重要的应用价值。本项目提出把电磁波束的轨道角动量编码技术与毫米波束的空间通信相结合，既可以克服大气效应对空间通信的影响,又可以发挥轨道角动量编码技术的信息传输容量大和保密性强的优势。本项目旨在通过对毫米波束的轨道角动量在大气中的传输行为、轨道角动量编码通信中的信息加载理论与方法、信息容量、通信中的信噪比以及信息检测理论与方法等内容的理论分析、数理建模、数值仿真以及实验研究，探索利用毫米波束轨道角动量编码进行大信息容量、高安全性的空间通信的新体制，并论证其可行性。该项目的研究成果对于建立毫米波通信的新机制、推动大信息容量、高安全性的空间通信新模式的发展具有重要的学术意义和诱人的应用前景。

青年科学基金“基于毫米波束轨道角动量的空间通信理论与方法研究”在三年的资助期中，主要在如下几个方面开展工作并取得进展：.1、提出涡旋波束在大气湍流中传输时的螺旋谱特性的研究方法，研究了大气参数和波束参数对波束的螺旋谱弥散的影响，结果表明，当拓扑荷越大、波长越长、湍流内尺度越小、外尺度越大、折射率结构常数越高时，涡旋波束受到的影响增大，螺旋谱弥散加重；.2、给出了基于涡旋波束的空间通信系统在大气湍流中进行斜程传输时的信道容量的计算方法，研究结果表明，天顶角、湍流内尺度、波长、结构常数、湍流外尺度对系统信道容量有不同程度的影响；.3、基于轨道角动量空间通信系统在中等强度大气湍流中的通信质量研究，解决了涡旋波束在中等强度non-Kolmogorov湍流大气中的相位屏建模问题，并提供了相应空间通信系统的误码率和信道容量的计算方法；.4、部分相干涡旋波束在non-Kolmogorov湍流中的传输特性研究，利用数值计算重点分析了non-Kolmogorov湍流模型中的指数项、折射率结构常数、湍流内外尺度以及光源的拓扑荷、相干长度对光束传输性质的影响；.5、椭圆偏振涡旋波束在湍流大气中的强度和偏振特性研究，解决了基于矢量表示的椭圆偏振涡旋波束在大气湍流中传输时的光强分布特征和偏振度变化规律问题。