光强闪烁对空间激光授时抖动的影响 下载: 967次
1 引言
目前的天基时频系统以微波链路为授时信道,即使时间同步精度可达纳秒量级,也不能满足时频体系对高精度和高可靠性日益增长的需求。同基于微波链路的授时方案相比,空间激光授时具有传递精度高和通信容量大等优势,并可以与地面光纤授时精度相匹配。因此空间激光授时是未来构建高精度时频传递网络的重要组成部分,已成为各国研究的热点[1-5]。
激光在大气信道中传播时,大气湍流造成的折射率起伏导致激光波阵面畸变,严重破坏激光的相干性,从而引起接收面上光强闪烁、光束漂移和光束扩展等问题[6-7]。对于基于IM/DD(Intensity Modulated/Direct Detected)的授时系统,当采用门限检测法判决脉冲到达时刻时,光强起伏将导致接收端判决脉冲到达时刻抖动,严重影响空间激光授时精度。
为深入研究光强闪烁导致脉冲到达时刻抖动的抑制及消除办法,需定量分析光强闪烁对脉冲到达时刻抖动的影响规律。针对光强闪烁导致的空间激光授时抖动问题,基于多相位屏原理,建立了光强闪烁导致脉冲到达时刻抖动的计算模型,利用该模型对不同接收孔径和不同传输距离条件下光强闪烁导致的脉冲到达时刻抖动进行仿真分析,并搭建了大气湍流导致脉冲到达时刻抖动的实验平台,对理论仿真结果进行验证。
2 光强闪烁对脉冲到达时刻抖动的影响模型
本模型是基于多相位屏原理仿真光强闪烁对脉冲到达时刻抖动的影响。利用功率谱反演法构造大气湍流相位屏,从而在接收端得到起伏的光强数值。将此起伏的光强数值设定为高斯脉冲上升沿的最高值,重构出经过湍流扰动的高斯脉冲。利用门限判决法得出经过光强闪烁影响的脉冲到达时刻,统计脉冲到达时刻的阿伦方差和标准差。由此分析光强闪烁对脉冲到达时刻抖动的影响。
多相位屏法原理如
式中:FT和FT-1分别为傅里叶变换和傅里叶逆变换;
2.1 随机相位屏构建
采用功率谱反演法进行大气相位屏数值模拟,其基本思路为:利用符合大气湍流相位扰动的功率谱函数
式中:Δ
式中:
式中:
对于斜程链路,由于路径上的折射率起伏强度不均匀,若仍设置等间距的相位屏,则强起伏区不能被充分采样,而弱起伏区被过度采样,导致计算误差[13]。采取等Rytov指数间隔相位屏,设置相位屏间Rytov指数间隔均为常数
进而得到相位屏的位置
由于傅里叶变换采样频率的问题,相位屏的最小和最大空间频率分别为
将(7)式和(8)式相加,即可得出经过次谐波补偿的随机相位屏。根据湍流冻结假设,可得出大气湍流相位屏的刷新时间。设
2.2 接收端判决脉冲到达时刻
脉冲光信号总是具有一定的光谱宽度,对于光波段来说,大气湍流介质的相干带宽非常宽,当脉冲光信号的频带宽度远小于载频时,大气湍流导致的脉冲时间波形变化非常细微[17]。因此将此光强值设定为经过湍流扰动后高斯脉冲的峰值点,给定高斯脉冲半峰全宽
标准差
式中:
3 仿真结果与分析
假设光脉冲信号沿斜程路径传播,天顶角为0°,载波波长为1550 nm,准直高斯脉冲束腰半径
3.1 光强闪烁导致的脉冲到达时刻抖动分布特性分析
当接收孔径
3.2 不同接收孔径下脉冲到达时刻抖动的仿真分析
接收孔径是影响脉冲到达时刻抖动的重要因素,因此本节设定不同接收孔径,分别比较其对应的阿伦方差。接收孔径分别为20,15,10 cm,其余仿真条件与第3.1节相同。
仿真结果如
3.3 不同传输距离下脉冲到达时刻抖动的仿真分析
相比于地面光纤授时,空间激光授时的优势之一在于可应用于移动平台。当移动平台与地面中心站距离不同时,光强闪烁导致的脉冲到达时刻抖动不同,因此本节对不同传输距离下的脉冲到达时刻抖动进行仿真分析。
假设光脉冲传输距离
图 4. 不同传输距离下阿伦方差曲线图
Fig. 4. Allen deviation curves under different transmission distances
4 实验系统及结果分析
为验证光强闪烁导致的脉冲到达时刻抖动为正偏态分布,搭建实验平台,其原理图和实物图分别如
实验装置中半导体激光器的中心波长为1550 nm。光学天线接收孔径为9 cm。反射镜阵列由三个直径为7 cm的全反射镜组成。大气湍流模拟装置为一长度为7.5 m的玻璃气槽,玻璃气槽上方为等间隔的圆形气孔,用以模拟大气湍流的涡旋形态。在气槽侧方选取两个等间距气孔,利用热风机对气槽内气体进行加热,用以模拟折射率在空间和时间上的随机变化。
当光脉冲在湍流信道中传播时,大气湍流不仅影响光脉冲幅度变化,还会产生光束漂移等现象,其中光束漂移同样会导致光脉冲到达时刻抖动。但由于湍流模拟信道距离较短,光束漂移导致的光脉冲到达时刻抖动可忽略不计,主要考虑光强闪烁导致的光脉冲到达时刻抖动。
在进行光强闪烁导致脉冲到达时刻抖动实验前,先对系统底噪进行分析。关闭大气湍流信道模拟装置,光脉冲为矩形脉冲,脉宽为400 ns,其中上升沿宽度为2 ns,由EDFA发出的光脉冲信号的光功率为17 dBm,经反射镜阵列反射的光脉冲信号的光功率为-25 dBm,信号经PIN检测后被放大器放大至1 V。通过可调衰减器,将触发信号(CH1)的光功率调节到与反射光脉冲信号光功率(CH2)一致,统计1000次实验测量结果,选取其中10次实验数据,如
图 7. 示波器双通道秒脉冲波形。(a)无湍流;(b)有湍流
Fig. 7. Second pulse waveforms from dual channel of oscilloscope. (a) Without turbulence; (b) with turbulence
编写MATLAB程序,利用固定门限判决法分析采集到的波形数据,关闭湍流模式装置时,判决门限为秒脉冲上升沿峰值点的1/2处,即0.5 V;打开湍流模拟装置时,为检测到全部秒脉冲信号,判决门限为上升沿峰值点的最小值,即0.16 V。分别统计关闭和打开湍流模拟装置时反射信号的到达时间,其标准差和阿伦方差如
表 1. 脉冲到达时刻的实验数据
Table 1. Experimental data of pulse arrival time
|
图 8. 归一化脉冲到达时刻的分布直方图。(a)无湍流;(b)有湍流
Fig. 8. Distribution histograms of normalized pulse arrival time. (a) Without turbulence; (b) with turbulence
5 结论
当光脉冲在大气信道中传播时,大气湍流引起接收端光强起伏,导致接收端确定脉冲到达时刻抖动,严重影响授时精度。针对光强闪烁导致的脉冲到达时刻抖动问题,仿真分析了接收孔径和传输距离对授时抖动的影响。搭建了大气湍流导致光脉冲到达时刻抖动的实验平台,采集经过湍流信道传播的秒脉冲波形,统计光脉冲到达时刻,对仿真结果进行了验证。结果表明:在孔径接收条件下,光强闪烁导致的脉冲到达时刻抖动呈正偏态分布。由于远地端大气较为稀薄,因此增大传输距离,脉冲到达时刻抖动变化程度小于近地端。增大接收孔径可有效抑制光强闪烁导致的授时抖动,以地面大气结构常数为10-14 m-2/3、平均风速为21 m/s的15 km链路为例。光脉冲中心波长为1550 nm,束腰半径为100 mm,脉宽为2 ns,当接收孔径为0.2 m时,标准差为159.4164 ps,秒稳定度为2.7641×10-10;当接收孔径为0.1 m时,标准差为217.8820 ps,秒稳定度为3.7609×10-10。
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刘航, 卢麟, 朱勇, 吴传信, 张宝富. 光强闪烁对空间激光授时抖动的影响[J]. 光学学报, 2019, 39(4): 0412007. Hang Liu, Lin Lu, Yong Zhu, Chuanxin Wu, Baofu Zhang. Influence of Intensity Scintillation on Jitter in Time Transfer by Space Laser Link[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(4): 0412007.