【摘要】：空間光通信是在星間和星地間建立高速通信鏈路的重要有效手段,相比于微波通信,光通信具有通信容量大、傳輸速率高、保密性好、功耗低等諸多優(yōu)點(diǎn),引起了世界各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注。在星地空間光通信中,地面和衛(wèi)星之間存在著一段長(zhǎng)距離的大氣,而大氣中時(shí)刻存在著湍流效應(yīng),會(huì)使通過其中的光束發(fā)生漂移、擴(kuò)展和光強(qiáng)起伏等現(xiàn)象,導(dǎo)致接收端探測(cè)到的光斑出現(xiàn)不同程度的畸變。傳統(tǒng)的光斑定位方法對(duì)對(duì)稱性良好、分布均勻的光斑具有較高的定位精度,但隨著光斑畸變程度增大,傳統(tǒng)定位方法精度也會(huì)一定程度的降低。雖然目前的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)時(shí)探測(cè)并矯正由大氣湍流引起的光束波前相位畸變,但由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)處理能力和存在數(shù)據(jù)測(cè)量誤差等原因,應(yīng)用仍然受限。因此有必要研究適用于大氣湍流情況下的光斑定位方法。本文分析了大氣湍流對(duì)光斑質(zhì)心和形心位置的影響,利用Zernike多項(xiàng)式法,生成大氣相位屏并對(duì)受湍流影響的光斑進(jìn)行仿真,以分析湍流影響下可能出現(xiàn)的光強(qiáng)分布情況和特征。根據(jù)湍流對(duì)光斑分布的影響提出了一種根據(jù)光斑畸變程度對(duì)質(zhì)心形心加權(quán)的定位方法,并進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理內(nèi)部機(jī)制復(fù)雜問題時(shí)的優(yōu)勢(shì),提出一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光斑定位方法,以光斑的特征數(shù)據(jù),如形心、質(zhì)心、峰值、峰的數(shù)目等,作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值,通過訓(xùn)練模型的方式對(duì)光斑特征加權(quán)。進(jìn)行了大氣外場(chǎng)實(shí)驗(yàn),在不同天氣、不同時(shí)間段下通過11.16 km的城市水平鏈路采集了大量受湍流影響的光斑圖像,提取出畸變程度不同的光斑特征,并對(duì)提出的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光斑定位算法進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明本文提出的算法能夠有效的提升大氣湍流影響下的畸變光斑的定位精度。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文標(biāo)光被地面終端捕獲時(shí)，信標(biāo)光束到達(dá)接受系統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡，鏡對(duì)光束中的雜散光進(jìn)行過濾，再通過一組光學(xué)透鏡聚焦到CD得到的激光光斑進(jìn)行圖像處理和分析，確定信標(biāo)光光斑的射光束和光學(xué)天線光軸之間的跟瞄偏差角。地面終端再根據(jù)向，調(diào)整接收天線的方向，以持續(xù)鎖定跟蹤地面終端。通信模塊開始發(fā)出信號(hào)光，，信號(hào)光與信標(biāo)光的頻率各不相同端天線后被分為兩路，一路進(jìn)入通信回路，另一路通過光學(xué)焦平面上光電探測(cè)器上。CCD 探測(cè)器再將入射光束轉(zhuǎn)化為2-1 所示為光束入射角與接收端探測(cè)器上光斑位置的關(guān)系，在立坐標(biāo)系OXY-Z，其OX軸是透鏡中心軸線與探測(cè)器中心之測(cè)器的豎直平面內(nèi)，并與 OY 軸垂直。

氣湍流的基本理論大氣湍流球大氣是我們賴以生存的環(huán)境，同時(shí)也是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。大氣為提供氧氣、過濾掉太陽(yáng)有害的紫外輻射、阻擋地球輻射的外溢，也為聲介質(zhì)。但另一方面，大氣也遮蔽了我們的眼睛，使我們無(wú)法對(duì)之外的宇真切[36, 37]。束在湍流大氣中傳輸?shù)姆治鍪谴髿夤鈱W(xué)中最為困難的部分之一。大氣介質(zhì)折射率隨機(jī)起伏，會(huì)導(dǎo)致在其中傳輸?shù)募す獾牟ㄇ瓣嚸婊�，使得性變差，光束的光學(xué)質(zhì)量降低，導(dǎo)致光束出現(xiàn)隨機(jī)漂移、激光束能量在的重新分布、激光束傳輸路徑長(zhǎng)度的起伏、光強(qiáng)起伏等現(xiàn)象。如圖 2-2 所激光通信中，大氣湍流對(duì)激光束的這些影響會(huì)導(dǎo)致接收端探測(cè)到的激畸變、展寬和破碎等。隨著傳輸距離的增大和湍流強(qiáng)度的增強(qiáng)，湍流大造成的上述影響會(huì)更為明顯，嚴(yán)重影響到了空間光通信中星地鏈路的。因此有必要定量的描述大氣湍流對(duì)激光光斑特征的改變。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN929.1;O357.5

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本文編號(hào)：2590040