摘要：在自由空间光通信系统中，激光束在大气中传输时会受到湍流单元影响，发生折射和衍射，引起接收光强随机波动（闪烁效应），削弱了通信系统性能。而基于轨道角动量的涡旋光束可在增加系统复用维度的同时增强光束的抗湍流能力。本文首先采用光波仿真研究了不同传输距离、不同湍流强度和不同拓扑数的拉盖尔-高斯光束在不同接收孔径情况下的抗湍流能力；接着，研究了不同发射和接收分集的拉盖尔-高斯光束的抗湍流能力。仿真结果表明，孔径平均、发射和接收分集都可降低涡旋光束的闪烁指数，但在等价条件下发射分集具有最强的抗湍流能力。

关键词：大气湍流；闪烁指数；孔径平均；空间分集

引言

自由空间光通信系统因具有数据传输速率高、通信安全性高、安装和维护成本低等优势，被广泛应用于楼宇间通信、光纤备份、军事保密通信、卫星通信等领域。而作为载波的激光光束在大气中传输时，受大气湍流影响较大，大气湍流因此成为阻碍自由空间光通信发展的不利因素之一^[1-3]。事实上，大气温度和压强的不均匀分布导致了大气折射率的不均匀分布，光束在经过大气湍流时就会发生折射、衍射和散射等现象，导致光接收机上光斑的闪烁和漂移，从而极大地降低光通信系统性能^[4-8]。

近年来，涡旋光束自从被提出以来一直是当前的研究热点^[9,10]，同时文献^[11,12]也报道了涡旋光束比基本高斯光束具有更强的抗湍流特性。此外，在传统自由空间光通信中，空间分集技术（包含孔径平均）已被视为一种简便且有效的降低大气湍流影响的方法^[13-15]。为此，本文考虑在使用涡旋光束的同时引入空间分集技术来进一步提高系统的抗湍流性能。在自由空间光通信系统中，链路传输距离和大气结构参数共同决定了大气湍流强度，而系统所采用的光束类型、光束个数、接收端孔径的大小、个数及位置则会影响系统所接收到信号的闪烁指数。本文采用基于大气随机相位屏法的光波仿真方法来研究涡旋光束在大气湍流中的传输特性。首先，对比研究了不同传输距离、湍流强度和拓扑数的拉盖尔-高斯光束在不同接收孔径情况下的抗湍流能力；接着，研究了不同发射和接收分集数的拉盖尔-高斯光束的抗湍流能力。

本文结构安排如下：首先，对涡旋光束进行简单介绍；接着，给涡旋光束传输特性分析的方法，并对不同系统设置进行仿真研究，给出仿真结果和数据分析；最后，结论为实际自由空间光通信系统的设计提供一些基础指导。

1涡旋光束简介

涡旋光束作为一种特殊光学波束，其相位存在无定义或突变奇点，具有与基本高斯光束不同的传输特性，特别是涡旋光束有更优秀的抗湍流性能。涡旋光束有很多类型，其中拉盖尔-高斯光束的抗湍流能力较高，其光束产生也较为方便。为此，本文仅考虑拉盖尔-高斯光束，其表达式如下

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