一种利用信号光偏振度检测外差探测系统性能的方法

摘要

本发明公开了一种利用信号光偏振度检测外差探测系统性能的方法，该方法主要利用光波在大气湍流随机介质传输理论和部分相干光束外差探测理论，研究信号光经大气湍流传输后在接收端轴上点DoP的变化及其对外差效率的影响，通过理论结果可以发现，调整信号光束腰半径y方向分量的取值，使其小于0.03m，同时增加信号光和本振光束腰半径x方向分量的取值，减小本振光束腰半径y方向分量的取值；另外还可以增大信号光和本振光的相干长度在xx方向分量的取值，且尽量保证δLxx＝δSxx，减小信号光和本振光的相干长度在yy方向分量的取值，最终可以在接收端得到50％以上的外差效率。该方法不受实验条件因素的限制，操作简单，易实现。

说明书

技术领域

本发明属于无线激光通信技术领域，涉及一种利用信号光偏振度 检测外差探测系统性能的方法。

背景技术

空间光混频外差探测技术具有响应速度快、精度高、滤波性能好、 理论上接收灵敏度可接近量子噪声限等优点，现已广泛应用于自由空 间光通信、激光雷达、广播等领域中。对于无线光通信系统而言，在 接收端使用空间光混频技术可以很大程度上提高接收机灵敏度，实现 对微弱信号光地探测。

在自由空间光外差探测通信系统中，一般用混频效率、信噪比及 探测灵敏度衡量光外差探测系统的性能。为保证光外差探测系统性能 的最优获得最大的混频效率，必须保证信号光与本振光的波前、偏振 态、振动方向保持一致且具有恒定的相位差。然而大气湍流是一种随 机的传输信道，受风场、热传导等因素的影响，大气温度会出现随机 起伏的现象，导致大气折射率会随机起伏，光束在这种大气随机介质 中传输时，破坏了光束的相干性。信号光经大气湍流传输后，受湍流 效应的影响，在接收端信号光会出现振幅扰动、波前畸变、偏振态随 机变化及光束模式的改变。这就是湍流效应对光束传输带来的影响， 同时也会对外差探测系统的性能带来不良影响。

目前，评价光外差探测系统性能的两个物理量，即混频效率和信 噪比，没有相关器件可以直接测量，换言之，不能通过直观读取相关 测量仪器的输出值直接或间接获取外差探测系统性能的优劣及其实 时地变化。此外，在完成通信的基本需求下，不能实时的掌握自由空 间光外差探测通信系统的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用信号光偏振度检测外差探测系统 性能的方法，解决现有检测方法不能直接或间接评价外差探测系统性 能的优劣问题。

本发明所采用的技术方案是，一种利用信号光偏振度检测外差探 测系统性能的方法，具体包括如下步骤：

步骤1，计算信号光经大气湍流传输后在接收端的信号光CSDM；

步骤2，利用步骤1得到的接收端信号光CSDM，计算出接收端 信号光DOP；

步骤3，根据步骤2所得结果得到基于随机电磁光束偏振特性的 外差探测数学模型；

步骤4，基于步骤3得到的结果，利用步骤1中得到的接收端信 号光CSDM，计算出随机电磁光束偏振特性的外差探测的外差效率；

步骤5，令信号光、本振光和大气湍流参数取值相同，分别根据 步骤2求DOP、根据步骤4求外差效率，并对计算所得的DOP和外 差效率进行数据统计，形成统计列表，利用偏振度测量仪可实时检测 信号光的偏振态，在已知检测信号光偏振态的情况下，通过查询统计 列表中DOP与外差效率之间的关系，从而获取外差探测系统的外差 效率。

本发明的特点还在于：

步骤1的具体过程为：

采用如下公式(1)计算接收端的信号光CSDM：

其中，λ表示信号光波长，z表示信号光传输距离，k＝2π/λ表示波 数，ρ

计算接收端信号光CSDM的所用源场信号光CSDM表达式为：

其中，下标S和L分别对应信号光和本振光，A

计算接收端信号光CSDM的所用波结构函数可以表示为：

其中，θ为天顶角，Φ

在强湍流条件下，将公式(5)中的贝塞尔函数利用前两项来近 似，得到如下公式(6)：

将(6)式带入(4)中，化简得到：

式中

计算接收端信号光CSDM的所用大气湍流折射率功率谱模型为 修正Hill谱模型，该模型数学表达式为：

其中，0≤κ<∞；κ

其中，

将公式(10)带入公式(9)，得到大气湍流折射率功率谱，将公 式(8)、公式(9)带入公式(7)，得到计算接收端信号光CSDM的 所用波结构函数，将公式(2)和公式(7)带入公式(1)，得到接收 端信号光CSDM，即：

步骤2的具体过程为：

步骤2.1，利用广义的Stokes参数描述信号光的DoP，则接收端 信号光的DOP表示为：

式中，Stokes参数S

步骤2.2，将步骤1中公式(11)所得的接收端信号光CSDM， W

步骤2.3，依据步骤2.2中的公式(15)和步骤2.1中的公式(14)， 得出接收平面z>0的Stokes参数分别为：

步骤3的具体步骤为：

步骤3.1，通过如下公式(17)表示部分相干光束外差探测数学 模型

其中，PIF表示信号光与本振光在接收端相干混频后的中频信号 功率，PS表示在源场信号光功率，PL表示在源场本振光功率；

步骤3.2，依据光束相干偏振理论，电磁光束的CSDM表示为：

其中，Wij(r1,r

步骤3.3，由步骤3.1和步骤3.2，推导出在大气湍流条件下基于 随机电磁光束偏振特性的外差探测数学模型η

步骤4的具体过程为：

步骤4.1，接收端信号光与本振光相干后的中频信号功率数学表 达式表示为：

其中，W

步骤4.2，将公式(11)和W

式中

步骤4.3，令ρ

步骤4.4，将步骤4.3中计算得到的源场信号光功率和步骤4.2 中计算得到的中频信号功率带入到步骤3.3中，最终计算出信号光的 偏振特性受大气湍流影响后外差探测系统的外差效率。

本发明的有益效果是：本发明一种利用信号光偏振度检测外差探 测系统性能的方法主要利用光波在大气湍流随机介质传输理论，研究 受大气湍流扰动后微弱信号光偏振度(DoP)的变化及其对外差探测 系统性能的影响，结果表示可以调整信号光与本振光的光源参数可以 获得相对较高的外差效率，提高外差探测系统性能。相比于现有方法， 该方法不受实验条件限制，操作简单，易实现。

附图说明

图1是本发明一种利用信号光偏振度检测外差探测系统性能的 方法在自由空间光外差探测通信系统中的应用实验装置图；

图2是本发明一种利用信号光偏振度检测外差探测系统性能的 方法实施例1中信号光束腰半径在x和y方向分量经大气湍流斜程传 输后的DoP和外差效率曲线图；

图3是本发明一种利用信号光偏振度检测外差探测系统性能的 方法实施例1中在不同σ

图4是本发明一种利用信号光偏振度检测外差探测系统性能的 方法实施例1中在不同σ

图5是本发明一种利用信号光偏振度检测外差探测系统性能的 方法实施例2中信号光相干长度在xx方向分量经大气湍流斜程传输 后的DoP和外差效率曲线图；

图6是本发明一种利用信号光偏振度检测外差探测系统性能的 方法实施例2中信号光相干长度在yy方向分量经大气湍流斜程传输 后的DoP和外差效率；

图7是本发明一种利用信号光偏振度检测外差探测系统性能的 方法实施例2中信号光相干长度在xy方向分量经大气湍流斜程传输 后的DoP和外差效率曲线图；

图8是本发明一种利用信号光偏振度检测外差探测系统性能的 方法实施例2中信号光相干长度在yx方向分量经大气湍流斜程传输 后的DoP和外差效率；

图9是本发明一种利用信号光偏振度检测外差探测系统性能的 方法实施例2中本振光相干长度在xx和yy方向分量取不同值后的 DoP和外差效率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种利用信号光偏振度检测外差探测系统性能的方法，具 体包括如下步骤：

步骤1，根据所用源场信号光的交叉谱密度(CSDM)表达式， 大气湍流功率谱模型和波结构函数，可以计算出信号光经大气湍流传 输后，在接收端的信号光CSDM表达式；

步骤1的具体过程为：

计算接收端信号光CSDM的表达式为：

其中，λ表示信号光波长，z表示信号光传输距离，k＝2π/λ表示波 数，ρ

计算接收端信号光CSDM的所用源场信号光CSDM表达式为：

其中，下标S和L分别对应信号光和本振光，A

计算接收端信号光CSDM的所用波结构函数可以表示为：

其中，θ为天顶角，Φ

在强湍流条件下，(5)式中的贝塞尔函数可利用前两项来近似， 可以得到：

将(6)式带入(4)中，可以化简得到：

式中

计算接收端信号光CSDM的所用大气湍流折射率功率谱模型为 修正Hill谱模型，其数学表达式为：

式中，0≤κ<∞；κ

式中，

将(10)式带入(9)式，可以得到大气湍流折射率功率谱，将 (8)式、(9)式带入(7)式，可以得到计算接收端信号光CSDM 的所用波结构函数，将(2)式和(7)式带入(1)式，可以得到接 收端信号光CSDM，即：

式中：

步骤2，基于广义的Stokes参数描述DOP，利用步骤1中得到 的接收端信号光CSDM结果，计算出接收端信号光DOP；

步骤2按照以下具体步骤实施：

步骤2.1、利用广义的Stokes参数可以描述信号光的DoP，则接 收端信号光的DOP可以表示为：

其中，Stokes参数S

步骤2.2，把步骤1中(11)式所得的接收端信号光CSDM，W

步骤2.3，依据步骤2.2中的(15)式和步骤2.1中的(14)式， 可以得出接收平面z>0的Stokes参数分别为：

步骤3，依据光束相干偏振(BCP)理论和部分相干光束的外差 探测数学模型，推理出基于随机电磁光束偏振特性的外差探测数学模 型；

步骤3按照以下具体步骤实施：

步骤3.1，依据部分相干光束外差探测数学模型，可以表示为：

其中，P

步骤3.2，依据光束相干偏振(BCP)理论，电磁光束的CSDM 可以表示为：

式中，W

步骤3.3，由步骤3.1和步骤3.2，可以推导出在大气湍流条件下 基于随机电磁光束偏振特性的外差探测数学模型表达式：

步骤4，基于步骤3得到的结果，利用步骤1中得到的接收端信 号光CSDM结果，计算出随机电磁光束偏振特性的外差探测的外差 效率。

步骤4按照以下具体步骤实施：

步骤4.1，接收端信号光与本振光相干后的中频信号功率数学表 达式可以表示为：

式中W

步骤4.2，将(11)式和W

式中：

步骤4.3，令ρ

步骤4.4，将步骤4.3中计算得到的源场信号光功率((23)式)、 源场本振光功率((24)式)和步骤4.2中计算得到的中频信号功率 ((21)式)带入到步骤3.3(式(19))中，最终可以计算出信号光 的偏振特性受大气湍流影响后外差探测系统的外差效率。

步骤5，信号光、本振光和大气湍流参数取值相同，分别计算步 骤2和步骤4并进行数据统计，形成统计列表，利用偏振度测量仪可 以实时检测信号光的偏振态，利用查表法便可获取外差探测系统的外 差效率。

步骤5按照以下具体步骤实施：

步骤5.1，在计算步骤2.1中接收端信号光的DOP((13)式) 和步骤3.3中基于随机电磁光束偏振特性的外差效率((19)式)时， 接收端信号光CSDM是相同的，即受大气湍流扰动影响是相同的， 在此前提下分别计算(13)式和(19)式并列表进行大量数据统计。

步骤5.2，在实际测试过程中，利用偏振测量仪实时检测信号光 的DOP并记录。

步骤5.3利用遍历查表法，使用步骤5.2中实时获得的信号光 DOP数值在步骤5.1中生成的数据表中查找与此对应的外差探测系统 外差效率。

本发明一种利用信号光偏振度检测外差探测系统性能的方法，其 可以应用的实验装置如图1所示，包括发送端的信号激光器(下行实 验链路使用信号激光器1，水平实验链路使用信号激光器2，上行实 验链路使用信号激光器3)；信号光通过大气湍流介质传输后到达接 收端，与接收端的本振激光器发出的本振光在光混频器表面进行相干 混频，信号光与本振光进行相干混频后产生的光电流进入光电探测器 输出中频信号，经光电转换后以中频电信号接入到高速数字信号处理 系统中，最终可实时恢复出基带信号。

本发明一种利用信号光偏振度检测外差探测系统性能的方法可 应用到的实验装置主要部件的作用分别如下：

信号光激光器：信号光激光器为波长λ＝1550nm的窄线宽激光器；

本振光激光器：本振光激光器为波长λ＝1550nm的窄线宽激光器；

光混频器：接收端信号光与本振光进行相干混频；

光电探测器：光电流转换成电信号。

实施例1

步骤1根据(13)式和(15)式，可以计算出信号光经大气湍 流传输后到达接收端的DoP。

步骤2根据源场信号光功率(23)式、源场本振光功率(24) 式和中频信号功率(21)式，将其带入(式(19))中，可以计算出 信号光的偏振特性受大气湍流影响后外差探测系统的外差效率。

步骤3在没有特别说明时，设置matlab仿真参数如下：探测器 光敏面直径D＝2mm；信号光在源场的相干长度δ

实施例2

步骤1根据(13)式和(15)式，可以计算出信号光经大气湍 流传输后到达接收端的DoP。

步骤2根据源场信号光功率(23)式、源场本振光功率(24) 式和中频信号功率(21)式，将其带入(式(19))中，可以计算出 信号光的偏振特性受大气湍流影响后外差探测系统的外差效率。

步骤3在没有特别说明时，设置matlab仿真参数如下：探测器 光敏面直径D＝2mm；信号光在源场的相干长度δ