本文選題：星間激光通信　切入點(diǎn)：掃描捕獲　出處：《中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所》2017年博士論文

【摘要】：為滿足人類對(duì)信息容量和傳輸速率日益增長(zhǎng)的需求,衛(wèi)星激光通信技術(shù)作為新一代空間通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域及潛在市場(chǎng),必將是世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。星間激光通信系統(tǒng)空間環(huán)境復(fù)雜、通信距離遠(yuǎn)、激光波束窄、發(fā)射功率小,在衛(wèi)星之間高效快速地建立通信鏈路非常困難,為攻克這一難題,本課題對(duì)星間激光通信的若干關(guān)鍵技術(shù)展開深入研究。論文分析星間激光通信系統(tǒng)的功能,設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成,詳細(xì)闡述工作原理及流程。對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)確定ATP(Acquisition,Tracking and Pointing)的功能、系統(tǒng)方案、結(jié)構(gòu)組成及工作原理。依據(jù)設(shè)計(jì)方案,分析兩個(gè)衛(wèi)星激光通信終端之間建立通信鏈路的原理及過程,推導(dǎo)鏈路建立時(shí)間的表達(dá)式,依據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)合理分配鏈路建立時(shí)間。基于星間激光鏈路方程,對(duì)鏈路功率進(jìn)行預(yù)算仿真,分析系統(tǒng)參數(shù)對(duì)鏈路效率及鏈路余量的影響,為系統(tǒng)參數(shù)及方案的確定提供理論指導(dǎo)。為了維持激光通信鏈路的穩(wěn)定性,對(duì)鏈路的突發(fā)中斷進(jìn)行理論建模分析,確定鏈路中斷概率與跟蹤精度的關(guān)系。論文對(duì)捕獲技術(shù)展開深入研究,重點(diǎn)分析系統(tǒng)的捕獲策略及重要參數(shù)指標(biāo),并進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證。對(duì)比不同的捕獲方案及捕獲方式,選擇最適合于本課題的捕獲方案及捕獲方式。對(duì)初始偏置角的標(biāo)準(zhǔn)差及捕獲不確定區(qū)進(jìn)行研究,建立理論模型且進(jìn)行數(shù)值分析驗(yàn)證。推導(dǎo)捕獲概率的模型,分析模型組成及影響因素,并進(jìn)行數(shù)值分析,確定本課題的捕獲概率。深入討論掃描步長(zhǎng),為實(shí)現(xiàn)不同掃描路徑的高效掃描,對(duì)掃描光束的束散角同時(shí)引入伸縮因子和附加重疊因子,避免過度重疊掃描、幾何漏掃及抖動(dòng)漏掃的發(fā)生。分析對(duì)比步進(jìn)掃描模式、快速掃描模式1及快速掃描模式2,建立相應(yīng)的掃描時(shí)間間隔模型。同時(shí)對(duì)單場(chǎng)掃描理論和多場(chǎng)掃描理論進(jìn)行分析研究,為下一步螺旋掃描技術(shù)的研究奠定理論基礎(chǔ)。論文深入研究螺旋掃描技術(shù),優(yōu)化掃描捕獲方案,進(jìn)一步降低鏈路建立時(shí)間。理論分析不同的掃描路徑,依據(jù)統(tǒng)計(jì)原理,推導(dǎo)并建立掃描捕獲模型,包括等線速等螺距的螺旋線掃描、矩形螺旋掃描、菱形螺旋掃描、六邊形螺旋掃描。模型建立時(shí)綜合考慮系統(tǒng)參數(shù)、不同掃描場(chǎng)次理論、不同掃描模式的各種情況。分析重要系統(tǒng)參數(shù)捕獲不確定區(qū)、掃描步長(zhǎng)、通信距離、執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶寬、掃描光束束散角、探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間分別對(duì)各類模型掃描捕獲性能的影響。通過改變系統(tǒng)相關(guān)參數(shù),該模型既適用于有信標(biāo)光的系統(tǒng),也適用于無信標(biāo)光的系統(tǒng)。不同的掃描場(chǎng)次、掃描模式及掃描路徑相互組合,理論對(duì)比相應(yīng)模型的掃描捕獲性能并進(jìn)行數(shù)值分析。為驗(yàn)證模型建立的正確性,論文設(shè)計(jì)了驗(yàn)證掃描捕獲模型的試驗(yàn)方案,并進(jìn)行大量試驗(yàn),經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,試驗(yàn)結(jié)果與理論仿真基本一致,表明六邊形螺旋掃描的掃描捕獲性能最佳。同時(shí),對(duì)掃描捕獲的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)二維伺服轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行初步研究,分析對(duì)比不同轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),最終選用經(jīng)緯儀式的機(jī)架結(jié)構(gòu),并對(duì)該結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)及結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。在星間激光通信系統(tǒng)中,不論在捕獲階段、通信階段,還是在地面測(cè)試階段,通信終端的探測(cè)器一直探測(cè)激光光束,經(jīng)光電轉(zhuǎn)化、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理等實(shí)現(xiàn)最終功能。探測(cè)到的原信號(hào)受噪聲干擾,信噪比降低,為改善原始信號(hào)的質(zhì)量,提高信噪比,論文根據(jù)實(shí)際需求提出拋物線低通濾波算法,對(duì)探測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行降噪處理。分析拋物線低通濾波算法的原理及工作流程,推導(dǎo)頻域窗函數(shù)的表達(dá)式,根據(jù)最小均方差準(zhǔn)則,推導(dǎo)出最優(yōu)通過頻率及截止頻率的表達(dá)式。以輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的均方差和信噪比為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)拋物線低通濾波算法及其他濾波算法同時(shí)進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果一致表明拋物線低通濾波算法能夠快速地對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理,有效地保留局部細(xì)節(jié)信息同時(shí)提高信號(hào)的信噪比。
[Abstract]:In order to satisfy the increasing demand for information capacity and transmission rate , the satellite laser communication technology has been developed as a new generation of space communication technology . It has a wide application field and potential market . It will be a hot spot for the research of the world . In this paper , the paper designs a parabolic low - pass filtering algorithm , which is suitable for the system with beacon light , the scanning electron beam divergence angle and the detector response time to improve the quality of the original signal and to improve the signal - to - noise ratio .

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN929.1

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本文編號(hào)：1712718