各向异性倾斜角与随机角抖动对光纤耦合QAM/FSO系统误码率性能的影响研究

研究人员针对各向异性非柯尔莫哥洛夫(ANK)湍流中倾斜角与随机角抖动对光纤耦合QAM/FSO系统的影响展开研究，首次建立了弱湍流水平链路下耦合效率概率密度函数(PDF)与误码率(BER)的解析模型。结果表明，倾斜角γ增大时BER呈先降后升趋势，优化焦距与接收孔径可显著提升系统性能，为空间-地面一体化网络设计提供理论支撑。

　　

在大气激光通信领域，湍流引起的信号衰减一直是制约系统性能的瓶颈。传统研究多基于各向同性湍流模型，但近年实验证实大气湍流胞存在固有各向异性特征——其长轴可能相对地面存在倾斜角γ。这种各向异性特性会改变湍流胞与光波的相互作用方式，进而影响光纤耦合效率和系统误码率。更棘手的是，实际系统中接收激光与光纤轴线的随机角抖动会进一步恶化耦合效率。然而，现有关于光纤基FSO系统的研究均未考虑各向异性倾斜角的影响，耦合效率PDF模型也缺乏角抖动参数。

针对这一关键问题，国内某高校的研究团队在《Results in Engineering》发表创新成果。研究团队基于椭球湍流胞假说，首次建立了水平链路中各向异性非柯尔莫哥洛夫(ANK)湍流谱模型，推导出包含倾斜角γ和随机角抖动的耦合效率PDF解析表达式。通过构建Gamma-Gamma分布模型分析QAM调制系统的误码特性，系统评估了湍流参数与系统参数对性能的影响。

研究采用三项关键技术：1）建立包含倾斜角γ的ANK湍流空间谱模型；2）基于Nakagami-Rice分布构建耦合效率统计模型；3）采用矩形QAM信号传输理论推导误码率近似解。特别针对水平链路特性，引入方位角ω描述光波传播方向与湍流胞长轴的相对位置关系。

各向异性非柯尔莫哥洛夫湍流谱模型
通过椭球坐标系变换，将各向异性因素μ_x、μ_y引入经典ANK谱，建立水平链路中空间相干半径ρ₀与Fried参数c₀的解析关系。当μ=1时模型退化为各向同性情况，验证了理论自洽性。

耦合效率概率密度函数
考虑随机角抖动引起的横向位移Δr=εf，将接收孔径分解为多个独立相关单元，通过特征函数法推导出耦合效率η的PDF表达式。结果显示：当σ_ε/W_m从0增至3时，系统BER恶化2个数量级，证实角抖动是实际工程必须补偿的关键因素。

Gamma-Gamma分布建模
通过大尺度与小尺度滤波函数分离，建立log辐照度方差σ²_lnX和σ²_lnY的积分表达式。数值分析发现：当谱幂律α在3.2-3.3区间时，闪烁指数达最大值，对应最差BER性能。

误码率性能优化
系统参数扫描表明：存在最优焦距f=0.4m和接收孔径D=0.1m使BER最小；采用4×2 QAM比8×4方案可降低误码率约10倍；补偿项H从1增至5时，相位残差σ²_φ减小使耦合效率提升37%。

这项研究首次量化了各向异性倾斜角对光纤FSO系统的定量影响，揭示出γ=90°时系统性能最差的物理机制。所建立的耦合效率PDF模型为高精度空间光-光纤耦合系统设计提供了理论工具，尤其对星地激光通信链路优化具有重要指导价值。研究还证明：通过联合优化焦距、接收孔径和调制方案，可有效抵消湍流各向异性带来的性能损失，为下一代天地一体化网络建设奠定基础。