1 长春理工大学 电子信息工程学院, 长春 130022
2 北京理工大学 光电学院, 北京 100081
3 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033
4 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心, 长春 130022
5 中国人民解放军32215部队
为了研究在大气湍流、指向误差以及各种噪声的共同影响下的星地激光通信系统平均误码率性能，采用Gamma-Gamma信道模型，建立了大气湍流与指向误差的组合衰减模型，并结合各种噪声推导出关于组合衰减模型的星地激光通信系统平均误码率的闭合表达式。研究结果表明，当卫星轨道高度为400 km、天顶角为45°、波长为1 550 nm以及等效波束半径和指向误差位移标准差（抖动）的归一化比值为4时，总噪声、热噪声、背景噪声对应的平均误码率分别为1.519×10-7、6.907×10-8、1.357×10-8。
星地激光通信 指向误差 各种噪声 Gamma-Gamma信道 平均误码率 相干光通信 satellite-earth laser communication, pointing erro
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 北京理工大学光电学院，北京 100081
3 长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
4 32215部队
大气折射率结构常数是反映湍流强度变化状况的重要大气参数。针对反演时所需初始输入数据多、未运用单一类型数据反演的问题，提出一种以整层大气相干长度和整层大气等晕角数据为输入反演的新方法。基于广义的Hufnagel-Valley（HV）湍流模型，推导出和之间的理论关系式，以新疆南山实测的和数据为基础，反演计算得到广义HV模型的七个参数进而计算出廓线，再将七个参数值代入推导出的、理论关系式计算出单日值。仿真计算结果表明，拟合出的平均廓线和单日廓线，其变化趋势与香河模型相比，一致性较好，吻合度较高；单日计算值与实测值之间的日相关系数平均值达到了81.95%，最高达87%。该结果验证了所提方法的可行性，为研究廓线的反演提供了参考。
大气光学 大气湍流 大气折射率结构常数 大气相干长度 等晕角 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2101003
1 西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048
2 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130013
3 中国计量大学信息工程学院，浙江 杭州 310018
4 兰州理工大学计算机与通信学院，甘肃 兰州 730050
5 西安工业大学电子信息工程学院，陕西 西安 710021
6 西安电子科技大学通信工程学院，陕西 西安 710119
无线光通信是指以光波作为载体在自由空间中传递信息的技术，具有带宽高、成本低和安全性高等优点。捕获、瞄准和跟踪(acquisition, pointing and tracking, APT)系统是建立无线光通信系统的前提，简单、可靠、动态性能好的APT系统可以克服由机械平台震动及外界环境变化对无线光通信系统的影响。因此，需要对APT系统进行较为深入的理论和实验研究，从而设计出一种适合无线光通信的捕获、瞄准和跟踪方法。本文分析了国内外在捕获、瞄准、跟踪方面的研究成果，同时介绍了西安理工大学在自动瞄准方面所做的工作，主要包括初始捕获系统、非共视轴控制系统、光束检测系统等方面的进展，以及1.3 km、5.2 km、10.2 km、100 km距离链路的外场实验，验证了APT系统的有效性。最后展望了无线光通信中APT的发展。
1 长春理工大学光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，吉林 长春 130022
2 长春理工大学计算机科学技术学院，吉林 长春 130022
为了研究大气激光通信中单模光纤耦合接收效率起伏概率分布特性，建立了受大气湍流扰动的瞬态耦合效率计算模型，据此得出影响光纤耦合效率统计分布的最少无量纲参数。通过研究发现：随着孔径半径-大气相干长度比的增大，耦合效率逐渐减小；随着耦合几何参数的增大，耦合效率先增大后减小，在某一点取得最大值。通过对空间光到单模光纤的瞬态耦合效率进行蒙特卡罗模拟与分布特征分析，提出使用双Johnson SB分布来拟合瞬态耦合效率的概率密度函数，并用实验测量数据进行了验证。研究结果可以为不同大气湍流条件下的空间光到单模光纤耦合系统参数优化设计提供参考，有助于实现光纤耦合的大气激光通信系统。
激光与光电子学进展
2021, 58(19): 1906002
1 长春理工大学 电子与信息工程学院, 长春 130000
2 长春理工大学 空间光电技术研究所, 长春 130000
3 长春光客科技有限公司, 长春 130000
为了提高动态大气湍流模拟相位屏时间上的模拟精度, 提出了利用时间协方差测量时间相关性的方法, 在基于液晶空间光调制器(LC-SLM)的大气湍流相位屏模拟方法、时间特性等方面开展了研究。采用功率谱反演法生成湍流模拟相位屏, 给出了时间变量及时间功率谱的计算方法, 搭建了基于LC-SLM的大气湍流相位屏模拟实验系统, 并对上述方法进行了实验验证。实验结果表明: 激光畸变损失情况下, 时间协方差的计算误差可控制在8.0％左右, 且该模拟方法下相位屏的时间模拟精度较好。
大气湍流 时间相关性 时间协方差 功率谱反演法 相位屏 atmospheric turbulence time correlation time covariance power spectrum inversion method phase screen
1 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心，长春 130022；长春光客科技有限公司，长春 130000
2 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心，长春 130022
3 长春光客科技有限公司，长春 130000；长春理工大学 光电工程学院，长春 130022
4 长春理工大学 计算机科学技术学院，长春 130022
为了降低部分相干光光学系统设计的复杂度及成本，增加部分相干光应用的便捷性，提出了一种液晶空间光调制器的激光相干度及束散角复合控制方法。首先介绍了对激光光束进行相干度和束散角复合控制的基本理论和方法；然后分别设置了相干度和束散角检测实验，检测了本方法所调制激光光束的相干度和束散角的准确性。实验结果表明，采用液晶空间光调制器生成相干度为0.9 mm、束散角为7.5 mrad，以及相干度为1.5 mm、束散角为3.8 mrad的部分相干光束，其相干度与理论值相比误差在5%以内，其相干度均方根误差分别为0.027386和0.031314，峰谷值分别为0.084 658和0.089 103；其束散角与理论值相比误差在5%以内，其束散角均方根误差分别为0.022 478和0.023 186，峰谷值分别为0.081 201和0.092 130。可见，该方法可以实现高精度的相干度及束散角复合控制。
大气光学 相干 液晶空间光调制器 束散角 atmospheric optics coherence liquid crystal spatial light modulator divergence angle 强激光与粒子束
2020, 32(7): 071008
1 长春理工大学 空地激光通信技术国防重点学科实验室,吉林 长春 130022
2 长春理工大学 计算机科学技术学院,吉林 长春 130022
3 长春理工大学 电子信息工程学院,吉林 长春 130022
为生成真随机数序列, 提出了先将大气湍流传输中激光散斑图像作为随机数发生器的熵源, 再采用变帧频采样方法进行提取随机数的算法。首先, 为降低相邻激光散斑图像间高相关性对随机性的影响, 提出了变帧频采样方法。其次, 对实验数据进行处理, 根据大气湍流造成激光光斑质心的随机抖动特征, 对散斑图像划分灰度等级, 编码和后处理等操作, 从而提取随机数。最后, 利用NIST测试工具对提取的随机序列进行实验分析, 结果表明: 该序列不仅达到真随机数的标准, 而且序列的数量和随机性均高于等帧频采样方法生成的随机序列。此外, 对激光散斑视频归一化方差与最优采样区间之间的关系进行分析, 为进一步的研究提供重要依据。
激光通信 真随机数 可变帧频 大气湍流 laser communication true random number variable frame rate atmosphere turbulence 红外与激光工程
2019, 48(12): 1205005
1 长春理工大学 空地激光通信技术国防重点学科实验室，吉林 长春 130022
2 长春理工大学 计算机科学技术学院，吉林 长春 130022
3 长春理工大学 电子信息工程学院，吉林 长春 130022
为证明双向光传输系统中大气湍流信道的互易性，提出一种测量瞬时接收信号衰落相关性的方法，并建立了分析测量数据的数学模型。在相距883 m的两栋高楼之间进行双向光传输测量实验，根据测得的光斑图像数据，对信道的瞬时衰落相关性进行验证，并分析了实际场景下归一化接收信号起伏方差对相关系数的影响。结果表明: 两个相反方向的光信道瞬时衰落相关系数大部分均在085以上，最高可达095，证明了双向大气湍流光信道之间存在良好的互易性; 且随着归一化接收信号起伏方差的增大，相关系数呈轻微下降的趋势。
瞬时衰落 大气湍流 双向光信道 互易性 instantaneous fading atmospheric turbulence bidirectional optical channel reciprocity
1 长春理工大学 电子信息工程学院, 吉林 长春 130000
2 长春理工大学 空间光电技术研究所, 吉林 长春 130000
3 长春光客科技有限公司, 吉林 长春130000
为了实现对激光束的准直变倍扩束, 提出了一种基于液晶空间光调制器(Liquid Crystal Spatial Light Modulator, LC-SLM)实现数字变焦透镜的方法, 并利用这种方法搭建了基于LC-SLM的变焦扩束系统。首先根据透镜相位变换原理和LC-SLM的相位调制特性由计算机编程生成不同焦距的数字透镜相位调制图, 实现不同焦距的数字透镜功能, 通过凸透镜对平行光束的汇聚作用, 验证该功能的有效性, 平均误差为095%。上述结果说明LC-SLM能够实现变焦透镜功能。接下来, 通过与汇聚透镜组合实现对激光束的连续变倍率准直扩束。该系统的扩束倍率为2×~5×, 均方根误差为0539 7 mm, 峰谷值为099 mm。实验结果表明, 本文提出的方法可以实现对激光束不同倍率的扩束且扩束比连续可变。该系统解决了传统变焦系统无法满足多变的激光扩束需求的问题, 且结构简单, 精度高, 在激光扩束应用方面具有广泛应用前景。
数字变焦透镜 液晶空间光调制器 激光扩束系统 相位调制图 digital zoom lens liquid crystal spatial light modulator laser beam expanding system phase modulation map
1 长春理工大学 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，吉林 长春 130022
2 长春理工大学 计算机科学技术学院，吉林 长春 130022
针对真随机数生成问题，提出基于大气湍流光闪烁图像的真随机数提取方法。利用相机获取波长为532 nm的激光经过大气湍流传输后的光斑图像，根据其闪烁特性，分别采用固定间隔选取和多步长选取的方式选取光斑图像，固定间隔选择50帧，多步长选择30帧、70帧和100帧，得到的光斑图像相关性很弱，相关系数均小于0.3，由于湍流效应的影响，图像中的像素点发生无规则变化，通过对像素点作组合计算以提取随机序列；通过NIST(national institute of science and technology)随机性测试的方法，对提取的随机序列进行测试。实验结果表明：固定间隔选取的随机序列随机效果一般，测试结果存在P值小于0.01的情况，而多步长选取测试的P值均大于0.01，可以通过随机性测试。
大气湍流 真随机数 固定间隔 多步长 随机性测试 atmospheric turbulence true random number fixed interval multiple steps randomness test
