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随着激光器性能的提升和对高速数字信号处理技术的深入研究,为了克服强度调制/直接探测的自由空间光通信(Free Space Optics,FSO)系统调制方式单一、信道容量利用率低等缺点,相干探测技术近些年重新成为众学者的研究焦点。本文针对FSO外差探测系统性能影响因素及应用展开研究,主要工作如下:(1)基于相干探测的原理,研制了一套FSO外差探测通信系统。对系统中涉及的关键模块进行了分析和实验验证。数值分析了理想条件下外差探测系统的性能,及实际光路对准时引入的误差对外差探测系统性能的影响。(2)弱湍流条件下,在修正Von Karman湍流谱、湍流随机介质光波传输的经典解析和数值方法的研究基础上,推导了信号光斜程传输至圆形接收孔径上的平均到达角起伏方差和对数振幅起伏方差的闭合表达式,并在此基础上分别建立了随机指向偏差角和振幅、相位起伏对外差探测系统影响的数学模型。数值分析了到达角起伏对外差探测系统混频效率的影响和振幅起伏对外差探测系统信噪比的影响。为FSO外差探测系统远距离通信性能分析奠定理论基础。(3)考虑光束在大气湍流中的传输问题,基于修正Hill湍流谱模型,建立了以部分相干高斯-谢尔模(Gauss Schell Model,GSM)光束作为信号光的外差探测系统的数学模型;使用非相干模分解方法推导了部分相干GSM光束在接收端权重因子的闭环表达式。在以上研究基础下,数值分析了湍流条件下光束模式、湍流参数等对部分相干GSM光束外差探测系统性能的影响,并进行了1.3Km的外场实验验证。为分析光束模式对FSO外差探测系统性能的影响提供了实验依据。(4)建立1.3km外场实验通信链路,将研制的FSO外差探测通信系统进行外场实验。采集不同天气下的实验数据,并对其进行处理分析,验证了第二章研制的外差探测系统性能的稳定性,为实现更远距离、更高速率的实时通信提供了有力的实验支撑。本文的研究工作为分析FSO外差探测系统性能影响因素奠定了理论基础,为FSO外差探测系统实现更远距离的通信提供了实验依据。