非Kolmogorov大气...对相干探测灵敏度的影响研究_吴加丽.pdf

第 5 期2023 年5 月电子学报ACTA ELECTRONICA SINICAVol.51 No.5May 2023非Kolmogorov大气湍流下部分相干光偏振状态对相干探测灵敏度的影响研究吴加丽1，惠玉泽1，丁德强2，柯熙政1（1.西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安 710048；2.中国人民解放军国防科技大学信息通信学院，湖北武汉 430019）摘要：本文讨论了在非Kolmogorov湍流下部分相干电磁高斯-谢尔模型（Electromagnetic Gaussian-Schell Model，EGSM）光束用于相干探测时系统的性能.基于相干探测理论推导了EGSM光束在非Kolmogorov湍流下斜程传输时系统灵敏度的表达式.研究了在误码率为10-9下上行和下行传输时光束在不同偏振状态、功率谱幂律、湍流尺度、传输距离、天顶角、探测器参数、接收端高度或光源高度对相干探测系统灵敏度的影响.结果表明：在非Kolmogorov湍流谱下，系统灵敏度会随着功率谱幂律的增大而增大；在相同条件下，上行传输时的系统探测灵敏度大于下行传输；在链路条件相同的情况下，完全偏振的EGSM光束用于相干探测时的灵敏度均比非偏振光束的灵敏度大3 dBm.最后，建立了EGSM光束相干探测系统，通过实验验证了部分偏振EGSM光束用于相干探测的系统灵敏度介于完全偏振和非偏振之间.关键词：相干探测灵敏度；EGSM光束；偏振状态；非Kolmogorov湍流；斜程传输基金项目：陕西省科研计划项目（No.18JK0341）；陕西省重点产业创新项目（No.2017ZDCXL-GY-06-01）；西安市科技计划项目（No.2020KJRC0083）；国防科技大学自主创新科学基金项目（No.22-ZZCX-051）中图分类号：TN919.21文献标识码：A文章编号：0372-2112(2023)05-1370-11电子学报URL:http:/DOI:10.12263/DZXB.20221286The Influence of Polarization State of Partially Coherent Beam on Coherent Detection Sensitivity in Non-Kolmogorov Atmospheric TurbulenceWU Jia-li1,HUI Yu-ze1,DING De-qiang2,KE Xi-zheng1（1.Faculty of Automation&Information Engineering，Xian University of Technology of China，Xian，Shaanxi 710048，China;2.School of Information and Communication，National University of Defense Technology，Wuhan，Hubei 430019，China）Abstract:This paper mainly discusses the performance of partially coherent electromagnetic Gaussian-Schell model(EGSM)beam for coherent detection under non-Kolmogorov turbulence.Based on the coherent detection theory,the expression of the sensitivity of the EGSM beam is derived when it propagates in the slant path under non-Kolmogorov turbulence.Under the condition of bit error rate of 10-9,the effects of coherent beam in different polarization states,power spectrum power law,turbulence scale,propagation distance,zenith angle,detector parameters,receiver height and beam source height on the sensitivity of the coherent detection system are studied in the uplink and downlink atmospheric turbulence.The results show that,under the non-Kolmogorov turbulence spectrum,the system sensitivity increases with the rise of power spectrum power law.Under the same conditions,the detection sensitivity of uplink propagation is greater than that of downlink propagation.Under the same link conditions,the sensitivity of completely polarized EGSM beam for coherent detection is 3 dBm greater than that of the unpolarized beam.The EGSM beam coherent detection system is established,and the experiments verify that the sensitivity of partially polarized EGSM beams is between that of completely polarized and unpolarized ones.Key words:coherent detection sensitivity;EGSM beam;polarization state;non-Kolmogorov turbulence;slant path propagationFoundation Item(s):Scientific Research Program of Shaanxi Province(No.18JK0341);Key Industry Innovation Project 收稿日期：2022-11-09；修回日期：2023-01-09；责任编辑：覃怀银第 5 期吴加丽:非Kolmogorov大气湍流下部分相干光偏振状态对相干探测灵敏度的影响研究of Shaanxi Province(No.2017ZDCXL-GY-06-01);Xian Science and Technology Plan Project(No.2020KJRC0083);Independent Innovation Science Fund Project of National University of Defense Technology(No.22-ZZCX-051)1引言空间相干光通信系统的接收灵敏度比传统的非相干光通信高2023 dB，且在相同的发射功率下光束传输距离更远1.当光束在大气信道中传输时，随机起伏的大气折射率会降低无线光通信链路性能，影响相干探测系统灵敏度2.在空间相干光系统灵敏度研究中，Abbas等3，4研究了相干探测系统中，本振光散粒噪声对系统灵敏度的影响.何宁等5利用平衡探测有效提高了相干探测系统的灵敏度.南航等6研究了大气湍流下本振光和信号光之间的失配角对系统灵敏度的影响.梁赫西等7研究了本振光功率对相干探测灵敏度的影响.由于激光器谐振腔中的不均匀性和原子的自发辐射，大多数物理上可实现的光源是随机辐射的.因此研究部分相干光对相干探测系统灵敏度的影响具有重要意义.Tanaka T等8研究了当信号光与本振光均为部分相干光束时相干探测系统的性能.濮莉莉等9研究了激光雷达部分相干光束用于相干探测时的系统性能.Salem和Rolland等10研究了部分相干光束的信号光和本振光之间的角误差对相干探测系统的影响.Li等11根据部分相干光束的理论讨论了湍流对相干探测系统的影响.以上这些工作是基于部分相干光场的标量理论.此外，电磁场的偏振现象是不可忽视的，光束的偏振通常会随着光束的传播而变化.Salem M等12研究了相干和极化变化对自由空间中传播的随机电磁束的相干探测影响.Wang13等利用高斯谢尔电磁波束相干极化矩阵，推导了相干探测系统的解析表达式.相比于Kolmogorov湍流谱，非Kolmogorov湍流谱更接近真实大气湍流.因此本文推导了部分相干光在非Kolmogorov湍流谱下斜程传输时相干探测系统灵敏度的表达式，在此基础上分析了部分相干电磁高斯-谢尔模型（Electromagnetic Gaussian-Schell Model，EGSM）光束不同偏振状态下系统灵敏度的变化.2理论分析假设信号光和本振光均为部分相干EGSM光束，并垂直于探测器表面入射，在z=0处进行混频，探测器表面 本 振 光Uo(t)和 信 号 光Us(t)的 瞬 时 光 场 表示为14Uo(t)=Uox()ex+Uoy()eyexp(jot)（1）Us(t)=Usx()ex+Usy()eyexp(jst)（2）其中，ex、ey是单位矢量，o、s分别表示本振光和信号光的中心角频率.部分相干光束的偏振特性、空间相干属性可以用光束相干偏振（Beam Coherence Polarization，BCP）矩阵J表示.在z方向传播的信号光和本振光光束的BCP矩阵Js(12)和Jo(12)可分别表示为14Js(12)=U*sx(1)Usx(2)U*sx(1)Usy(2)U*sy(1)Usx(2)U*sy(1)Usy(2)（3）Jo(12)=U*ox(1)Uox(2)U*ox(1)Uoy(2)U*oy(1)Uox(2)U*oy(1)Uoy(2)（4）其中，*表示复共轭，表示统计平均值.根据相干探测原理和双平衡探测原理得到中频信号的功率为14PIF=2R2ReTrJo(12)Js(12)d21d22（5）其中，Tr表示矩阵的迹，Re表示取复数的实部，R=e/（hv）为探测器的响应，e为电子电荷，为量子效率，h为普朗克常数，v为载波频率.此处为分析方便，假设探测器的响应R不随探测器上的位置而变化.由于本振光产生的散粒噪声为系统的主要噪声，因此噪声功率可以表示为14Pn=eBRTrJo()d2（6）其中，B为探测器的带宽.根据信噪比定义，部分相干EGSM光束相干探测系统的信噪比为14SNREGSM=2RReTrJo(12)Js(12)d21d22eBTrJo()d2（7）根据外差效率的定义，部分相干EGSM光束用于相干探测的外差效率表达式为14EGSM=ReTrJo(12)Js(12)d21d22TrJo(12)d21TrJs(12)d22（8）部分相干 EGSM 光束的 BCP 矩阵各元素表达式为15Jij(r1r2)=Iijexp-r12+r224w2-(r1-r2)222ij（9）其中，Iij为光强，w为光束的束腰半径，ij为空间相干长度，i，j=x，y.当为s时，为信号光束；当为o时，为本振光束.假设大气湍流中EGSM沿z轴正向传播后，由广义1371电子学报2023 年惠更斯-菲涅尔原理可知，在接收端光束的BCP矩阵各元素的表达式为16Jij(12z)=Iij(k2z)2d2r1d2r2exp-ik(1-r1)2-(2-r2)22z exp-r12+r224w2-(r1-r2)222ij exp*(1r1z)+(2r2z)（10