题目：无衍射激光新型通信系统研究及其性能分析

以自由空间光通信和自由空间光互连为代表的激光通信技术是下一代通信的发展方向之一。应用在大气激光通信中的自由空间光通信，所使用的光束大多为高斯光束。高斯光束发散角的存在，使自由空间光通信的通信距离受到了限制，也降低了保密性与能量利用率。应用在高速并行计算系统中的自由空间光互连，以激光器和探测器阵列的形式组成并行互连通道，将每一个光束作为一个通信通道。在自由空间光互连中，高斯光束的发散限制了激光器阵列密度的提高，从而限制了并行通道密度的增大。以无衍射光束为信息载体的激光通信技术，可以发挥无衍射光束直径小和零发散的特点，在自由空间光通信中，提高能量利用率和通信的保密程度；在自由空间光互连中，增大信道密度，从而成倍地增加计算速度，并缩小硬件体积。无论是自由空间光通信还是自由空间光互连，其系统性能的判别是基于一定的性能分析方法的。在目前激光通信系统的性能分析中，存在着评价指标的模糊性和多样性等特点，难以进行综合评价。本文利用非统计方法，在多指标条件下，对基于无衍射光的大气激光通信系统和自由空间光互连系统进行了性能分析；研究了无衍射激光通信的大气信道特征、调制编码技术，并构建了无衍射激光通信模拟实验系统。本文的主要内容如下：1. 为了分析大气对无衍射光激光通信系统的影响，研究了大气信道中无衍射光束的传输特性，重点分析了大气湍流效应对其传输性能产生的影响。研究不同湍流条件下的通信系统的误码率变化情况，由此得出保证无衍射激光通信质量的信道条件。2. 为了解决大气激光通信系统性能分析中指标的模糊性和多样性等问题，提出一种以灰色系统理论中的灰色聚类分析法为基础的方法，对大气激光通信系统的性能进行定量评价，并以基于无衍射光的大气激光通信系统为实例，进行了分析。3. 在多设计参数和多指标条件下，为了对基于无衍射光束的自由空间光互连系统进行性能分析，分别利用灰色关联度法和灰色聚类法，对系统性能进行综合评价，并进行了最佳参数配置。此外，还研究了当激光器阵列和光电探测器阵列存在对准偏差时，具有不同设计参数的系统对对准偏差的耐受程度。4. 在提高激光通信调制效率的同时，为了加强信道的纠错能力，提出一种基于数字脉冲间隔调制(DPIM, Digital Pulse Interval Modulation)和Turbo码的联合调制编码技术。以带宽需求、功率需求和传输容量为指标，将DPIM与开关键控(On Off Key, OOK)调制技术、脉冲位置调制(Pulse Position Modulation, PPM)技术进行了对比，分析了DPIM的优势。最后，推导了与DPIM相结合的Turbo译码算法。5. 为了验证无衍射激光通信的可行性，在实验室的光学实验平台上构建了无衍射激光通信模拟实验系统，并进行了实验。由于无衍射光束在最大传播距离内的光场分布不变，可将该实验系统作为室外长距离无衍射激光通信系统的模拟装置。在实验中，分别对平面波和球面波光束入射无衍射光发生装置的情况进行了研究，并分析了存在对准偏差时球面波入射无衍射光发生装置的衍射模式。