红外与激光工程
2023, 52(11): 20230125
红外与激光工程
2023, 52(1): 20220219
1 北京理工大学 光电学院,北京 100081
2 信息光子技术工业和信息化部重点实验室,北京 100081
3 光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京 100081
作为新型结构光束的一类,全庞加莱球光束因其横截面上自旋角动量和轨道角动量发生耦合,近年来在自由空间光通信领域内受到广泛关注。然而,传输信道中的大气湍流将产生诸如光束扩展、漂移、光强闪烁等严重影响,进而限制光通信系统性能。结合随机相位屏,对具有“C”型偏振奇点的全庞加莱球光束、“V”型偏振奇点的柱矢量光束和均匀偏振的标量涡旋光束在湍流大气中的传播进行大量的数值模拟。归一化光强相关系数和模式纯度被用于研究杂合庞加莱球表面不同位置处表征的全庞加莱球的稳定性。结果表明,相较于具有相似偏振拓扑荷和光强分布的柱矢量光束以及标量涡旋光束而言,坐标位于南半球的全庞加莱球光束在弱湍流和中湍流(r0=0.5 m, 0.125 m)下具有较高稳定性。而在强湍流下(r0=0.056 m),优势区域缩小至2σ∈[−5π/32, 0](纬度坐标)。上述结果将为自由空间远距离通信中传输介质的选取提供重要依据并进一步促进通信质量的提升。
全庞加莱球光束 大气湍流 高稳定性 杂合庞加莱球 full Poincaré beams atmosphere turbulence higher robustness hybrid-order Poincaré sphere 红外与激光工程
2021, 50(9): 20210242
强激光与粒子束
2021, 33(8): 081007
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 信息光子技术工业和信息化部重点实验室, 北京 100081
计算鬼成像利用光场的二阶相干性进行成像。当探测光经历未知扰动(如大气湍流)时,无法通过计算获得实际到达物体的光场,此时按无扰动的计算光场进行图像重构时会产生图像模糊。提出一种基于深度学习的图像分类-复原方法,用于消除大气湍流对计算鬼成像的影响。该方法的基本思想是先用基于卷积神经网络的分类网络对图像按模糊程度进行分类;然后对每个分类下的图像,分别采用基于生成对抗网络的复原网络进行复原。通过仿真建立了包含大气湍流的压缩感知计算鬼成像模型,得到了不同强度的大气湍流引起的模糊图像,给出了采用深度学习方法对模糊图像进行分类和复原的结果。仿真表明,采用分类-复原网络可以有效提升计算鬼成像的像质,复原后的图像结构相似度和峰值信噪比均有明显提升,并且该网络对不同类型目标具有一定的泛化能力。
成像系统 计算成像 鬼成像 深度学习 大气湍流 图像复原 压缩感知 光学学报
2021, 41(11): 1111001
1 合肥工业大学计算机与信息学院,安徽 合肥 230009
2 电子科技大学电子科学与工程学院微波电真空器件国家重点实验室,四川 成都 610054
涡旋光束携带的轨道角动量(OAM)为光波的空间域提供了新的维度资源,吸引了越来越多研究人员的关注。由于具有不同OAM 模式值的涡旋光束相互正交,因此将OAM 模式引入传统光通信领域,衍生出两种新的应用机制——OAM 键控(OAM-SK)与OAM 复用(OAM-DM),这为未来实现高速、大容量及高频谱效率的光通信技术提供了潜在的解决方案。本文将从OAM 光束的类别和产生方法等基本概念理论出发,对这两种通信应用机制相关的典型研究案例做简要概述,并重点论述三种关键技术,包括OAM 光束复用技术、OAM 光束解调技术以及OAM 光通信的大气湍流效应抑制技术。最后,对OAM 光通信技术的未来发展趋势及其前景进行了分析与展望。
轨道角动量 自由空间光通信 OAM 复用 大气湍流 orbital angular momentum free-space optical communication OAM multiplexing atmosphere turbulence
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
山东理工大学 物理与光电工程学院, 山东 淄博 255049
利用激光大气传输四维程序数值模拟了激光在湍流大气中上行和下行传输时产生的相位奇点的变化过程。由模拟结果可知, 当光束自地面向空中垂直上行传输时, 相位奇点数密度随传输高度的变化有一个从无到有、从快速增加到缓慢增加、达到峰值后又减小的过程; 湍流越强, 畸变光场中产生的相位奇点数密度越大, 达到的峰值越高, 且达到峰值后减小的幅度也越大, 但达到峰值时对应的传输高度越低; 当激光自空中某一位置垂直下行传输时, 相位奇点数密度随传输距离的增加有一个从无到有、从缓慢增加到快速增加且在接近地平面处急剧增加的过程。另外, 通过对模拟结果的曲线拟合发现, 激光在湍流大气中上行传输时产生的相位奇点数密度与传输高度的关系符合黑体辐射公式; 当激光在湍流大气中下行传输时, 相位奇点数密度随传输距离的增加呈指数增加。
大气光学 激光传输 相位奇点 大气湍流 atmospheric optics laser propagation phase singularity atmosphere turbulence 强激光与粒子束
2018, 30(12): 121001
1 长春理工大学 光电工程学院,长春130022
2 长春理工大学 空间光电技术研究所,长春130022
3 长春理工大学 电子信息工程学院,长春 130022
基于大气信道内的空间激光通信演示验证实验,对系统光斑跟踪精度的影响因素进行了分析,研究了大气湍流对光斑跟踪精度的影响,建立了光斑质心检测模型,设计了一套信标光光斑粗精复合跟踪系统.搭建了室内测试实验系统,完成了大气湍流对光斑跟踪精度影响的测量,结果表明在中弱湍流时,跟踪精度随湍流增大有近似线性关系,系统整体跟踪精度在5~15 μrad之间,可较好地完成光斑跟踪功能.在野外环境开展的飞机-飞机激光通信演示实验中,对伺服系统的跟踪性能及跟踪精度进行实际测量,整体跟踪精度不大于15 μrad,与室内实验测试系统基本一致.
空间激光通信 大气湍流 粗精复合 跟踪精度 Laser communication system Atmosphere turbulence Coarse-fine composite Tracking accuracy
华中光电技术研究所-武汉光电国家实验室, 湖北 武汉 430223
空间光通信受到大气湍流影响的衰落时间可持续数毫秒,严重影响通信系统的可靠性。提出了一种适合于空间光通信的自适应编解码方案,并且给出了具体的实现方法。针对信道当前不同的状况,采取不同的编解码方案降低系统的误码率。并且采取阈值切换的方法,避免了由于信道状况在设计阈值周边波动时出现的编解码方案频繁切换的现象。经过MATLAB仿真,验证了该方案的可行性。
空间光通信 大气湍流 自适应编解码 混合纠错 阈值切换 FSO atmosphere turbulence adaptive channel coding hybrid error correction threshold switching