Analysis of Beam Propagation Through a Relay Mirror System in Turbulent Atmosphere

Research Progress on Overcoming the Atmospheric Turbulence Effect in Satellite-to-Ground Laser Communication

“…星地激光通信是空间激光通信 [7] 的一部分， 是自由空间激光通信技术在卫星、 飞机与地面之间信息传输 的 最 新 应 用 ， 是 连 接 星 间 光 网 和 地 面 光 纤 网 络 的 中 枢 纽 带 。 因 此 ， 星 地 激 光 通 信 是 自 由 空 间 激 光 通 信 的 关 键环节， 相应的链路终端技术 [8] 和地面检测验证技术 [9] 已经得到一定程度的发展。但是在星地激光通信中， 近 地 面 区 域 的 非 均 匀 大 气 层 是 光 通 信 信 道 的 一 部 分 。 大 气 层 的 实 时 动 态 变 化 引 起 大 气 折 射 率 随 机 起 伏 变 化 ， 这 种 湍 流 效 应 进 一 步 改 变 光 束 光 场 的 随 机 变 化 ， 宏 观 上 表 现 为 光 场 空 间 相 干 性 退 化 、 光 束 漂 移 起 伏 、 到 达角起伏 [10] ； 大气信道中的气溶胶对激光传输的吸收和散射作用以及大气湍流导致信号光的强度闪烁， 都将 严 重 降 低 信 号 光 功 率 ， 导 致 接 收 端 信 号 光 的 光 束 质 量 变 差 ， 从 而 降 低 星 地 激 光 通 信 系 统 的 通 信 性 能 和 通 信 链 路 的 可 靠 性 ， 因 此 ， 克 服 大 气 湍 流 效 应 对 通 信 载 波 光 束 传 播 的 影 响 是 研 究 星 地 激 光 通 信 系 统 中 必 不 可 少 的部分。 本文首先对星地激光通信过程， 大气信道中湍流特性的物理研究进行了分析。针对湍流效应对信号光 的影响， 详细介绍了几种克服大气湍流效应的方法和原理， 并适当进行分析讨论， 最后对星地激光通信技术 发展进行了展望。 2 大气信道中湍流效应的光学特性研究 星 地 激 光 通 信 是 集 成 的 卫 星 通 信 和 地 基 光 纤 网 络 组 成 的 全 球 互 联 通 信 网 络 的 中 枢 环 节 。 但 是 近 地 面 大气湍流层对星地激光通信链路中光束质量有着严重的破坏作用， 相关的激光在大气传输物理量都会产生 相应的线性或者非线性变化。 大 气 湍 流 引 起 的 光 学 特 性 变 化 表 现 在 大 气 折 射 率 的 随 机 变 化 ， 使 得 光 波 的 振 幅 和 相 位 产 生 随 机 起 伏 ， 造成传输中的光波闪烁、 扩展、 弯曲和空间相干性降低等一系列光学现象 [11] 。大气湍流变化随时间、 空间和 [12][13][14] 学 者 致 力 于 大 气 湍 流 [15] [17]详细分析了水平路径 传输的高斯光束在展宽效应下的理论， 仿真验证结论与理论相符。此外， Ishimaru [18] 对平面波、 球面波在湍 流大气中传输的闪烁功率谱进行了研究， Wang [19] 开发了一种应用于大气湍流波前发生器的新的随机相位屏…”