1. 研究问题:

大气光通信系统在实际应用中面临大气湍流、大气衰减和收发端跟踪误差等问题，这些因素严重影响系统性能。特别是接收过程中的建模不完善，导致现有理论模型在性能评估中存在偏差。

2. 研究难点:

当前研究的难点在于如何全面仿真大气光通信链路，包括大气湍流、大气衰减、收发端跟踪误差以及接收光场的聚焦过程。特别是接收端跟踪误差对焦平面功率分布的影响尚未得到充分研究。

3. 相关工作:

现有研究主要集中在从发射到接收平面散斑的前向传输过程，使用对数正态、Gamma-Gamma等模型来评估误码率。相位屏法和Zernike多项式法被广泛应用于模拟大气湍流的影响，但这些方法缺乏对接收后端过程的完整物理仿真。跟踪误差的仿真建模也主要集中在发射端，接收端的跟踪误差影响尚未得到充分考虑。

研究方法

本文提出了一种大气光通信链路综合仿真方法，涵盖从发射到探测器接收功率的全链路闭环仿真。具体方法包括以下几个方面：

1. 传输模型:

o 发射光场: 发射高斯光束的光场表达式为：

U0=exp(−W02x2+y2)exp(−2RZlinkik(x2+y2))

其中，x、y为接收平面坐标，W0为发射端光束半径，RZlink为相前曲率半径，k为波数，λ为激光波长。

o 相位屏法: 通过相位屏对光场强度和相位进行随机扰动，模拟大气湍流的影响。相位屏尺寸为D，网格数为N1，格距为Δx=Δy=D/N1。

o 发射端跟踪误差: 发射端跟踪误差引起的随机误差角服从高斯分布，接收平面散斑中心的随机移动由随机误差角乘以距离表示。

2. 接收模型:

o 接收平面散斑预处理: 使用相位解绕算法和插值方法处理接收孔径上的散斑光场，确保相位的连续性和提高仿真精度。

o 透镜聚焦变换: 接收孔径上的散斑光场通过傅里叶变换建模为透镜聚焦过程，得到焦平面上的光斑分布。

o 接收端跟踪误差: 接收端跟踪误差引起的随机误差角导致焦平面光斑中心发生偏移，影响探测器接收功率。

o 通信探测器功率起伏及误码率仿真: 计算焦平面探测器靶面的接收功率和瞬时误码率，统计功率起伏的概率密度函数（PDF）和平均误码率。

实验设计

1. 仿真参数设置:

o 仿真组数M=10000，发射光束波长λ=850 nm，发射端光束半径W0=50 mm，发射功率P0=0.39 mW，传输距离L=1000 m，大气折射率结构常数Cn2=2×10−14 m−2/3，接收跟踪误差σβ=15 μrad，接收孔径半径D1=15 mm，焦距f=0.3 m，探测器靶面半径d=20 μm。

2. 仿真流程:

o 接收平面散斑的预处理: 对接收孔径上的散斑进行相位解绕和插值处理。

o 透镜聚焦变换: 对预处理后的散斑光场进行傅里叶变换，得到焦平面上的光斑分布。

o 焦平面光斑加入接收端跟踪误差: 通过生成符合高斯分布的随机误差角，仿真接收端跟踪误差对焦平面光斑的影响。

o 通信探测器功率起伏及误码率仿真: 计算不同条件下的接收功率和误码率，分析发射端和接收端跟踪误差、大气湍流对接收功率和误码率的影响。

结果与分析

1. 接收平面散斑的预处理:

o 通过相位解绕和插值处理，接收孔径上的散斑幅值和相位分布更加连续和精确。

2. 透镜聚焦变换:

o 焦平面光斑中心光强最大，周围光强呈现起伏分布，验证了透镜聚焦过程的有效性。

3. 焦平面光斑加入接收端跟踪误差:

o 接收端跟踪误差导致焦平面光斑中心显著偏移，部分光斑甚至完全偏离靶面，表明接收端跟踪误差对焦平面光斑分布有显著影响。

4. 通信探测器功率起伏及误码率仿真:

o 发射端跟踪误差和接收端跟踪误差均导致接收功率起伏增强，湍流强度的增加也显著影响接收功率的稳定性。

o 接收平面和焦平面的理论PDF曲线与仿真结果对比显示，接收平面理论模型具有较高的准确性，但焦平面理论模型与仿真结果存在显著差异，表明现有焦平面功率起伏PDF理论模型需进一步修正。

结论

本文提出了一种大气光通信链路综合仿真方法，涵盖了从发射到探测器接收功率的全链路环节，特别是引入了接收端跟踪误差的完整接收过程仿真。仿真结果表明，发射端和接收端跟踪误差、大气湍流等多重因素共同作用，导致接收功率发生随机起伏，进而引起通信误码率的动态波动。现有焦平面功率起伏PDF理论模型与实际仿真结果存在显著偏差，需进一步修正和完善。本文方法为大气光通信链路的性能设计与优化提供了有效的仿真工具和数值依据，也为相关理论模型的完善与验证提供了支持。