OptiSystem应用：无人机（UAV）信道仿真

在本次案例中，我们将利用无人机（UAV）组件进行仿真，分析以下4中情况下对无人机信道的影响：

1.无人机（UAV）的理想传输通道

2.无人机（UAV）光束漂移和抖动

3.无人机（UAV）在FSO中的湍流影响

4.无人机（UAV）中多模光传输

1.无人机（UAV）的理想传输通道

本示例中，无人机悬停在距地面500m高度，此为接收机高度；发射机为固定基站，架设高度距地面50m。收发两端的视距传输距离为6km。

系统布局如图1所示。

图1.无人机（UAV）的理想传输通道项目布局

需要说明的是，示意图并非按比例绘制，该配置对应无人机信道的默认参数设置。

仿真完成后，观察输出光束可知：发射端光束腰斑 50 mm，接收端光束腰斑变为77mm，图2为经过UAV信道后的空间输出模式。

图2.理想传输条件下UAV信道空间输出模式

查看UAV组件的二维绘图，可清晰看到光束沿传输距离的演变过程 —— 从 50 mm扩展至 77 mm，这是自由空间光通信中高斯光束腰斑的典型展宽现象，如图3所示。

图3.光束沿传输距离的演变

同时可查看接收机孔径与接收光斑尺寸，如图4。外圈为接收机孔径，内圈为接收光斑尺寸，可见光束完全被接收机孔径包裹。

图4.接收机孔径与接收光斑尺寸

2.无人机（UAV）光束漂移和抖动

下面分析接收机端无人机机械振动的影响。

开启光束抖动与光束漂移功能，运行仿真后，可观察到光束的变化，如图5所示。图6为考虑光束漂移和抖动后接收机孔径与接收光斑尺寸。

图5.考虑光束漂移和抖动UAV信道空间输出模式 

图6.考虑光束漂移和抖动后接收机孔径与接收光斑尺寸

3.无人机（UAV）在FSO中的湍流影响

接下来，我们将重点分析湍流区域相位对传输的影响。如图7所示，我们要仿真大气空间湍流在4 km至 4.5 km这段路径上的作用效果。

图7.考虑大气湍流的无人机（UAV）信道项目布局

运行仿真后，可以看到光束经过大气湍流后出现明显的畸变，如图8。

图8.考虑大气湍流UAV信道空间输出模式

计算中若要叠加所有效应，可像之前一样开启全链路光束漂移与抖动。UAV组件二维视图中显示的接收机孔径与接收光斑，仅为粗略估算的光束中心位置，这个圆形标记不能完全反映畸变空间模式的真实湍流状态，只是近似表示接收机孔径与接收光斑的相对位置。

图9.考虑大气湍流接收机孔径与接收光斑

4.无人机（UAV）中多模光传输

接下来，我们把光源换成拉盖尔横向模式发生器，为每个偏振态生成2 个模式，总计4 个模式，项目布局如图10。

图10.无人机（UAV）中多模光传输项目布局

UAV组件提供两种传输模式：Independent和Combined，Independent为独立传输模式，Combined为相干传输模式。图11为各模式独立传输，互不影响，X 偏振下可分别查看 0 阶与 1 阶模式；图12为所有输入模式在传输起点相干叠加后整体传输。

a）X偏振下0阶模式

b）X偏振下1阶模式

图11 Independent模式下X 偏振的不同模式

图12.Combined模式下所有输入模式相干叠加

我们同样可以考虑光束漂移和抖动以及空间湍流，UAV传输模式选择Combined，图13为不同偏振态下的空间输出模式，图14为接收机孔径与接收光斑。

a）X偏振下空间输出模式

b）Y偏振下空间输出模式

图13 考虑光束漂移、抖动和大气湍流下的多模光传输输出模式

图14.考虑光束漂移、抖动和大气湍流下的多模光传输接收机孔径与接收光斑