中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
蓝绿激光位于海水低损耗窗口区, 由于水体吸收和散射, 光束在水下传输将发生时空扩展和波形畸变。基于蒙特卡罗仿真分析 了蓝绿激光海洋传输特性, 特别是激光发射参数对接收光场分布的影响。提出通过调节发射端的光束发射参数, 对发射光束进行 预聚焦, 可在一定程度上抵消水体传输引起的光束扩散影响。分析和仿真结果表明, IB水体中, 当预聚焦角度与水体小角度散射 特征值相当时, 可在设计汇聚距离前形成一段光束扩散缓慢的平坦传输区域; 当预聚焦角度大于小角度散射特征值的2倍时, 可在设计聚焦距离附近形成汇聚效果; 预聚焦角度越大, 汇聚效果越明显; 水体变差时, 相应有效汇聚距离变短。研究成果 为调控蓝绿激光信号在海水的传输特性提供了一种新的思路。
蓝绿激光 蒙特卡罗仿真 光束预聚焦 散射 海洋传输特性 blue-green laser Monte Carlo simulation beam pre-focusing scattering ocean propagation characteristics
Author Affiliations
Abstract
Key Laboratory of Space Laser Communication and Detection Technology, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
One fast simulation method using Markov chains was introduced to simulate angular, energy, and temporal characteristics of pulsed laser beam propagation underwater. Angular dispersion of photons with a different number of collisions was calculated based on scattering function and the state transition matrix of Markov chains. Temporal distribution and energy on the receiving plane were obtained, respectively, by use of a novel successive layering model and receiving ratio. The validity of this method was verified by comparing it with the Monte Carlo ray tracing (MCRT) method. The simulation results were close to those obtained by MCRT but were less time consuming and had smoother curves.
010.3310 Laser beam transmission 010.4458 Oceanic scattering Chinese Optics Letters
2019, 17(10): 100003
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
基于蒙特卡罗方法对水下激光脉冲长距离传输进行了模拟仿真。根据激光脉冲在水下的展宽情况及脉冲能量的变化规律, 系统采用波长为532 nm、单脉冲能量为1 mJ的全固态脉冲激光器作为发射光源, 采用口径为100 mm、接收视场角为15°的望远镜作为接收机。采用现场可编程门阵列(FPGA)进行低密度奇偶校验码(LDPC)编码和脉冲位置调制(PPM), 经光电转换及采样后的接收端信号被发送到上位机进行后处理。最后, 基于研制的实验系统开展了水池实验, 以验证系统性能。理论与实验结果表明, 在Jerlov Ⅱ类水质条件下, 误码率情况相同时LDPC编码与PPM相结合的通信系统可获得2.34 dB的编码增益。实验证明该系统可以实现水下130 m处误码率低于10-5的可靠通信。
光通信 水下激光通信 低密度奇偶校验码编码 脉冲位置调制 蒙特卡罗法 中国激光
2018, 45(10): 1006002
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Space Laser Communication and Detection Technology, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
A highly efficient laser system output at the H-β Fraunhofer line of 486.1 nm has been demonstrated. A high pulse energy single-frequency hybrid 1064 nm master oscillator power amplifier was frequency-tripled to achieve 355 nm laser pulses, which acted as the pump source of the beta barium borate nanosecond pulse optical parametric oscillator. With pump energy of 190 mJ, the laser system generated a maximum output of 62 mJ blue laser pulses at 486.1 nm, corresponding to conversion efficiency of 32.6%. The laser spectrum width was measured to be around 0.1 nm, being in conformity with the spectrum width of the solar Fraunhofer line.
190.4970 Parametric oscillators and amplifiers 190.2620 Harmonic generation and mixing 140.3538 Lasers, pulsed Chinese Optics Letters
2018, 16(8): 081901
1 南京邮电大学光电工程学院, 江苏 南京 210046
2 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息技术研究中心, 上海 201800
在水下光通信中, 信号在海水信道中衰减极大, 严重影响通信系统的可靠性, 因此必须采用优秀的纠错码来降低数据传输的误码率。将低密度奇偶校验码(LDPC)与脉冲位置调制(PPM)相结合, 建立水下光通信系统模型, 在原有的PPM软解调基础上进行简化, 降低计算的复杂度, 便于硬件实现。简化后的方法由于不需要知道信道的详细特征, 特别适合复杂的海水信道中软信息的提取。Matlab仿真分析比较简化前后系统的误码性能, 结果表明, 简化后的方法由于简化了软信息的提取, 尽管相对于未简化方法造成了系统编码增益的下降, 但相对于未编码情形来说仍然具有较高的编码增益; 当PPM调制阶数较低时, 简化后方法的误码性能甚至优于里德-所罗门码。总体而言, 简化软解调的方案特别适合不同应用场合下的水下光通信。
光通信 水下光通信 LDPC码 PPM调制 简化软解调 激光与光电子学进展
2016, 53(12): 120605
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室， 上海 201800
2 中国科学院大学， 北京 100049
受海水吸收和散射的影响，长距离水下通信时信号幅度下降，信噪比(SNR)降低，最终导致水下激光通信系统的误码率（BER）提升，最远通信距离受限。为此，提出将最大比合并（MRC）分集接收技术应用于水下激光通信系统。分析和研究了在水体吸收和散射的综合作用下，MRC空间分集接收技术相对于等增益合并（EGC）空间分集接收技术对水下激光通信系统接收器性能的改善。推导了MRC加权系数分配方式，分析了接收支路数目与系统BER性能的关系，采用蒙特卡罗法对波长为532 nm的绿光在IB型水质下100 m处六路分集接收器中MRC相对于EGC的性能改善进行了仿真，并仿真了在Jerlov IB和II类水质下两种分集合并技术BER随通信距离的变化。由理论分析和仿真结果可知，MRC可以根据各路接收SNR情况更合理地分配加权系数，达到合并后的最佳SNR。在同等BER要求下，MRC可以提高水下激光通信的最远传输距离，在同等传输距离下，MRC可以降低通信系统的BER，为水下长距离激光通信系统的工程化提供了一种解决方案。
光通信 水下激光通信 最大比合并分集接收 蒙特卡罗法 中国激光
2016, 43(12): 1206003
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了快速评估水下激光通信系统的最大通信距离，提出了一种半解析的方法。对于给定的水下光学信道，仅仅需要进行两次仿真就可以获得系统的最大通信距离。即使系统参数改变，也不再需要进行额外仿真。根据水下光学信道参数，通过简单的数学运算获得了两个参考距离。并针对每个参考距离各进行了一次仿真。最后根据理论分析和仿真结果，推导出了最大通信距离的计算公式。为了验证该计算方法的有效性，将计算结果与实验结果进行了对比。对比结果表明两者吻合得很好，故所提出的半解析方法的有效性得以证实。
光通信 水下激光通信 半解析方法 最大通信距离 蒙特卡罗法
1 曲阜师范大学激光研究所, 山东 曲阜 273165
2 中国科学院上海精密光学机械研究所, 上海 201800
3 上海市全固态激光器与应用技术重点实验室, 上海 201800
为了对双折射滤波器中晶体片厚度需要达到的精度进行定量分析，根据双折射滤波器的滤波原理，引入了晶体片材料的双折射率色散，得出了晶体片的厚度偏差、相位延迟量偏差、目标波长移动量之间的关系，最后进行了模拟验证。结果表明，对于铌酸锂晶体制作的晶体片，材料的双折射率色散是不可忽略的，基于它得到的厚度精度是保证滤波器性能的必要条件，这些研究结论对于高性能双折射滤波器的实际制作有重要的参考价值。
光学器件 偏振光学 双折射滤波器 偏振干涉 厚度精度 滤波性能 中国激光
2014, 41(12): 1208009
中国科学院上海光学精密机械研究所， 空间激光信息技术研究中心， 上海市全固态激光器及应用技术重点实验室， 上海 201800
设计了一种基于数字信号处理机(DSP)的高速高可靠性水下光通信收发系统,并分析了调制时序和信号处理过程。在收发机中，DSP完成待发送信息的里德所罗门码编码和接收信息的滤波、门限判决、解调解码，现场可编程门阵列(FPGA)完成编码后信息的脉冲位置调制(PPM)。针对激光脉冲水下传输后脉宽展宽小于100 ns，激光重复频率偏离均值小于15%的情况，讨论了不同伽罗华域和PPM信息发送速率的关系；分析了收发机的各环节信号处理速度和各接口通信速度。结果表明，收发系统能够实现全双工的实时通信，通信速率可达73 kbit/s，可用于实时传输语音和图像等多媒体信息。最后利用Matlab对激光脉冲在Ⅱ类水质中传输100 m后到的激光脉冲形状进行了仿真，同时对FPGA发送的一帧数据的电平时序以及模数转换器(ADC)采样得到的一帧数据的采样序列进行了模拟。设计的收发系统为今后水下光通信系统的设计与实现提供了一定的参考。
光学设计 水下光通信 数字信号处理机 里德所罗门码 脉冲位置调制
1 中国科学院 上海光学精密机械研究所 先进激光技术与应用系统实验室,上海 201800
2 上海市全固态激光器及应用技术重点实验室,上海 201800
激光雷达在海洋遥感、测绘及监测等应用中具有重要前景。海面由于各种因素总存在一定粗糙度,影响水下激光穿过海气界面后的光学特性,导致出射光束漂移和光斑畸变,使得出射光场分布特性复杂,成为制约激光在海洋环境上下行有效传输的重要问题。为了分析海气界面对激光传输的影响,基于几何光学理论分析、三维海浪模拟和蒙特卡罗仿真,并辅以水池观测实验加以验证,对水下向上传输激光束通过海气界面的出射光场分布特性进行研究。结果表明,在上行准直激光束垂直向上发射的情况下,光束主要集中在中心指向±10°范围以内,通过采用合理的发射方式和设置适当的技术参数,将可以在一定程度上减弱海气界面的影响,促进激光在海洋相关领域的实际应用。
大气与海洋光学 海气界面 三维海浪模拟 蒙特卡罗法 水下激光
