涡旋光束、高斯光束在大气湍流中的传播与散射特征及其在无线激光通信中的应用研究

2017-04-28

涡旋光束在湍流大气中的传播特征受到了众多学者的关注，已显现出十分良好的应用前景。另一方面，越来越多的研究人员开展复杂系统和随机介质波束散射特征研究，利用高斯波束在随机介质中的传播与散射特征，推动了相应的技术在工业、民用等领域中的应用。

西安理工大学光电工程技术研究中心柯熙政教授科研团队长期从事无线激光通信中的光信道特性、信道编码、调制技术、信号处理以及随机介质中光波的传播与散射特征等研究，在自由空间光通信中的关键技术及系统设计和开发能力等方面具有很强的科研实力，拥有多项具有自主知识产权的研发成果，掌握了无线激光通信设备核心技术。特别是从涡旋光束、高斯光束在大气湍流介质中的传播与散射特征的基础理论出发，深入研究了具有轨道角动量的涡旋光场在大气湍流随机介质中的传播及对光束轨道角动量态的影响，建立了轨道角动量涡旋光场在大气湍流中的理论传播模型，开展了大气湍流环境下高斯波束与目标、粒子的散射特征研究。

一、成果研究概况

涡旋光束、高斯光束在大气湍流中的传播与散射特征及其在无线激光通信中的应用研究，是西安理工大学光电工程技术研究中心柯熙政教授科研团队将光波在随机介质中传播与散射特征研究应用于无线激光通信中去，并做了创新性尝试。该项工作已受到了3项国家自然科学基金和5项省部级课题资助，在Optics Express、IEEE Trans. Antennas Propagat、J. Opt. Soc. Am.B、Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer、Progress In Electromagnetics Research、Journal of electromagnetic waves and applications、《中国科学》《科学通报》等国内外期刊上发表论文300多篇，其中SCI检索43篇，EI检索176篇。获授权发明专利13项（无线激光通信PPM偏振调制解调方法，专利号：ZL200710018071.4；一种大气激光通信PPM同步器，专利号： ZL200720031908.4；无线激光通信GF(q)域上的纠错系统及其纠错方法，专利号：ZL200910021352.4；一种副载波调制无线光通信大气噪声抑制方法，专利号：ZL201110054089.6；一种适用于大气激光通信系统的调制方法，专利号：ZL201210164372.9；无线激光通信外差检测系统及其检测方法，ZL201210461890.7等），获软件著作权16项。出版专著6部，分别是《无线激光通信概论》《无线激光通信系统中的编码理论》《紫外光自组织网络理论》《无线光MIMO系统中空时编码理论》《无线光通信》和《无线激光通信系统中的部分相干光传输理论》。

二、基础理论研究的主要学术贡献

1．涡旋光束在大气湍流随机介质中的传播特征方面，主要开展了涡旋光束轨道角动量特征、拉盖高斯光束的传播特征研究，包括：（1）研究了具有轨道角动量光学涡旋在大气中的传播特征，解决了传播过程中微几何参数、物理参数对光传播特征的影响以及大气湍流对光轨道角动量态的影响问题；（2）基于推广的复高斯函数展开法，研究了光学涡旋通过含透镜及光阑限制光学系统的传播特征和空间的概率分布规律；（3）开展了光学涡旋角传输过程中的实验研究。

2．建立了高斯波束对任意形状粗糙物体的波束散射特征模型，研究了各种环境中不同大尺寸目标的激光波束散射特征。对大气湍流及其他复杂环境、背景杂波中的目标激光回波数据提取、分析、信噪比的提高等提供了理论依据。

3．随机介质中复杂体、粒子的高斯波束散射特征及目标激光探测的工程应用研究。在广义Mie理论（GLMT）基础上，应用旋转直角坐标系中球矢量波函数之间的关系式，创新性地给出了任意高斯波束入射下直角坐标系的球矢量波函数展开表达式，以及波束形状因子的计算方法。研究了高斯波束在通常媒质和手征媒质中的传播和散射特征，给出了包括旋转椭球、圆柱、镀层旋转椭球和圆柱等对任意入射高斯波束散射的解析表达式。

三、课题研究的产业化情况

基于涡旋光束、高斯光束在大气湍流中的传播与散射特征的基础理论研究，西安理工大学光电工程技术研究中心柯熙政教授科研团队根据大气环境中超远距离无线激光通信需求，积极开展无线激光通信中的应用研究，共获陕西省科学技术成果二等奖和中国光学工程学会技术创新二等奖等省部级科技进步奖7项。相关产品通过了陕西省电子工业产品质量监督检查站等第三方权威机构的检测，研发成功了空间相干光通信系统（如图1所示）和无线激光综合业务通信机（如图2所示）。

空间相干光通信系统和无线激光综合业务通信机主要技术特点包括：（1）通信距离可根据应用需求在500米、1 500米、2 000米、3 000米、5 000米、10 000米之间定制；（2）功耗 10瓦，误码率＜10^-9（各种天气情况下1 200米实测）；（3）电话业务模块可以灵活配置为点对点内线通话，也可以配置为市话交换转接通话，最多可配置1 000门电话；（4）视频模块可以根据需求实现单路、4路、8路、16路、32路视频监控信号的承载传输；（5）数据通信模块可以根据需求定制为10M/100M/1 000M以太网；（6）电话业务模块、视频模块或者数据模块可根据需求自由组合配置。

涡旋光束、高斯光束在大气湍流随机介质中的传播与散射特征及其在无线激光通信中的应用研究解决了地空光通信链路所涉及的诸多关键技术难题，拓展了无线光通信基础理论，作为传统通信技术的必要补充和有益革新，对于发展大气激光通信技术、实现通信产业的创新发展具有实际意义。相关技术产品可应用于因地形条件特殊而无法铺设线缆的场合（包括楼宇、大型厂房等），也可应用于通信线缆意外故障后的应急通信等临时备用、偏远山区和海岛等通信线缆的布线维护、大型宾馆及酒店的有线电视信号中继扩容等。