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

【摘要】：為滿足人類對信息容量和傳輸速率日益增長的需求,衛(wèi)星激光通信技術(shù)作為新一代空間通信技術(shù)應(yīng)運而生,具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域及潛在市場,必將是世界各國研究的熱點。星間激光通信系統(tǒng)空間環(huán)境復雜、通信距離遠、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)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成,詳細闡述工作原理及流程。對系統(tǒng)的性能指標進行分析,設(shè)計確定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)計方案,分析兩個衛(wèi)星激光通信終端之間建立通信鏈路的原理及過程,推導鏈路建立時間的表達式,依據(jù)系統(tǒng)性能指標合理分配鏈路建立時間�；谛情g激光鏈路方程,對鏈路功率進行預算仿真,分析系統(tǒng)參數(shù)對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。為了維持激光通信鏈路的穩(wěn)定性,對鏈路的突發(fā)中斷進行理論建模分析,確定鏈路中斷概率與跟蹤精度的關(guān)系。論文對捕獲技術(shù)展開深入研究,重點分析系統(tǒng)的捕獲策略及重要參數(shù)指標,并進行數(shù)值驗證。對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。對初始偏置角的標準差及捕獲不確定區(qū)進行研究,建立理論模型且進行數(shù)值分析驗證。推導捕獲概率的模型,分析模型組成及影響因素,并進行數(shù)值分析,確定本課題的捕獲概率。深入討論掃描步長,為實現(xiàn)不同掃描路徑的高效掃描,對掃描光束的束散角同時引入伸縮因子和附加重疊因子,避免過度重疊掃描、幾何漏掃及抖動漏掃的發(fā)生。分析對比步進掃描模式、快速掃描模式1及快速掃描模式2,建立相應(yīng)的掃描時間間隔模型。同時對單場掃描理論和多場掃描理論進行分析研究,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,進一步降低鏈路建立時間。理論分析不同的掃描路徑,依據(jù)統(tǒng)計原理,推導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。模型建立時綜合考慮系統(tǒng)參數(shù)、不同掃描場次理論、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、通信距離、執(zhí)行機構(gòu)帶寬、掃描光束束散角、探測器響應(yīng)時間分別對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光的系統(tǒng),也適用于無信標光的系統(tǒng)。不同的掃描場次、掃描模式及掃描路徑相互組合,理論對比相應(yīng)模型的掃描捕獲性能并進行數(shù)值分析。為驗證模型建立的正確性,論文設(shè)計了驗證掃描捕獲模型的試驗方案,并進行大量試驗,經(jīng)統(tǒng)計分析,試驗結(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,對掃描捕獲的主要執(zhí)行機構(gòu)二維伺服轉(zhuǎn)臺進行初步研究,分析對比不同轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點,最終選用經(jīng)緯儀式的機架結(jié)構(gòu),并對該結(jié)構(gòu)的性能指標及結(jié)構(gòu)方案進行設(shè)計。在星間激光通信系統(tǒng)中,不論在捕獲階段、通信階段,還是在地面測試階段,通信終端的探測器一直探測激光光束,經(jīng)光電轉(zhuǎn)化、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號處理等實現(xiàn)最終功能。探測到的原信號受噪聲干擾,信噪比降低,為改善原始信號的質(zhì)量,提高信噪比,論文根據(jù)實際需求提出拋物線低通濾波算法,對探測到的信號進行降噪處理。分析拋物線低通濾波算法的原理及工作流程,推導頻域窗函數(shù)的表達式,根據(jù)最小均方差準則,推導出最優(yōu)通過頻率及截止頻率的表達式。以輸入信號和輸出信號的均方差和信噪比為標準,對拋物線低通濾波算法及其他濾波算法同時進行仿真與實驗,實驗結(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原始信號進行處理,有效地保留局部細節(jié)信息同時提高信號的信噪比。
[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 .

【學位授予單位】：中國科學院光電技術(shù)研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN929.1

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本文編號：1712718