【摘要】：自由空間激光通信系統(tǒng)以其傳輸速率高、保密性強(qiáng)、方向性強(qiáng)等許多明顯優(yōu)于射頻無線通信系統(tǒng)的特點(diǎn)而得到廣泛研究。對于星地激光通信和水平激光通信,在傳輸過程中激光信號會(huì)受到大氣影響而產(chǎn)生能量衰減,同時(shí)發(fā)生波前畸變,降低激光通信性能。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以實(shí)時(shí)補(bǔ)償由大氣湍流引起的光學(xué)波前畸變,進(jìn)行高精度校正,從而恢復(fù)空間光通信系統(tǒng)的通信能力。目前激光通信自適應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依然是基于大口徑望遠(yuǎn)鏡成像光學(xué)的設(shè)計(jì)方法,以斯特列爾比來評價(jià)激光通信系統(tǒng)的接收能量和誤碼率,其僅考慮峰值能量。但是激光通信是通過計(jì)算整個(gè)靶面的能量積分來計(jì)算通信誤碼率,因此利用斯特列爾比法無法準(zhǔn)確計(jì)算接收靶面的能量值,因而也無法準(zhǔn)確預(yù)計(jì)通信誤碼率。因此,需要采用精確能量計(jì)算方法,來分析自適應(yīng)校正對激光通信的影響,為激光通信自適應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。此外,由于大氣湍流實(shí)時(shí)隨機(jī)變化,尤其是水平通信鏈路,其湍流變化更加劇烈。這樣會(huì)在通信過程中出現(xiàn)強(qiáng)湍流,導(dǎo)致哈特曼探測器無法探測波前像差,從而出現(xiàn)校正精度急劇下降,通信失敗。為此,本論文主要針對目前自適應(yīng)系統(tǒng)在激光通信中應(yīng)用時(shí)存在的缺乏校正效果和通信性能之間的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),以及強(qiáng)湍流波前無法探測的問題進(jìn)行研究。針對強(qiáng)湍流下自適應(yīng)系統(tǒng)無法探測波前的問題,本文提出無波前探測和哈特曼探測器相結(jié)合的混合探測方法,初始先利用無波前探測方法進(jìn)行波前探測和校正,當(dāng)像差進(jìn)入哈特曼的探測范圍時(shí),切換到哈特曼探測器進(jìn)行波前的高速和高精度探測,從而獲得高精度波前校正,降低通信誤碼率。這樣,既增大系統(tǒng)探測范圍又不降低系統(tǒng)帶寬。采用SPGD算法進(jìn)行無波前探測的位相恢復(fù),針對SPGD無波前恢復(fù)算法迭代次數(shù)多的問題,提出將Zernike像差替換變形鏡電壓作為擾動(dòng)對象的優(yōu)化算法,令算法迭代次數(shù)減少兩個(gè)數(shù)量級。同時(shí)提出利用環(huán)形光強(qiáng)代替中心光強(qiáng)作為性能指標(biāo)的方法,擴(kuò)大了像差恢復(fù)范圍,使得恢復(fù)范圍增加31%。此外,提出利用哈特曼的標(biāo)準(zhǔn)光斑陣列和強(qiáng)湍流時(shí)的光斑陣列的相關(guān)度作為無波前探測和哈特曼探測之間的切換依據(jù),模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)相關(guān)度為0.81時(shí),可以進(jìn)行探測方式的切換。最后,在模擬分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)湍流探測驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:無波前恢復(fù)算法能夠?qū)Ⅰ詈闲视?.012提高到0.35,誤碼率由10~(-1)降低到10~(-4);進(jìn)入哈特曼探測后,耦合效率提升到0.55,誤碼率下降到10~(-6)。該結(jié)果證明混合波前探測方法能夠有效解決強(qiáng)湍流下系統(tǒng)探測能力不足的問題,為強(qiáng)湍流激光通信自適應(yīng)系統(tǒng)探測提供了一條技術(shù)途徑。針對空間激光通信中缺乏自適應(yīng)校正對通信性能影響的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)問題,本文根據(jù)桶中功率模型,推導(dǎo)了系統(tǒng)校正殘差與耦合效率和通信誤碼率的定量關(guān)系表達(dá)式,并進(jìn)行了模擬分析:對于10~(-9)的理想通信誤碼率,對于誤碼率小于10~(-6)的應(yīng)用需求,要求校正殘差的RMS值小于0.67弧度、系統(tǒng)3dB帶寬應(yīng)為格林伍德頻率的1.6倍。同時(shí)進(jìn)行了9公里水平湍流的自適應(yīng)校正驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本論文推導(dǎo)的理論曲線幾乎完全重合,耦合效率的平均偏差小于0.02,誤碼率的平均偏差小于0.1個(gè)數(shù)量級,證實(shí)了理論分析的有效性,為空間激光通信自適應(yīng)系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)提供理論支撐。針對9公里水平跨海鏈路的激光通信自適應(yīng)校正需求,完成空間激光通信自適應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和裝調(diào),提出基于光纖光源的望遠(yuǎn)鏡光瞳成像方法,實(shí)現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡出瞳位置和后截距的精確測量。針對探測支路的光軸無法確定問題,采用測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡反向入射的方法。實(shí)現(xiàn)了光軸了精確標(biāo)定。最后,開展了實(shí)驗(yàn)室和外場驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:對于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的靜態(tài)像差,校正后波前RMS值2.01rad從減小到0.29rad,誤碼率從10~(-5)降低到10~(-7),減小了2個(gè)數(shù)量級;同時(shí)實(shí)現(xiàn)了格林伍德頻率40Hz的大氣湍流的實(shí)時(shí)校正,校正后,平均誤碼率從2×10~(-2)降低到3.7×10~(-7),減小了五個(gè)數(shù)量級;對于9公里跨海激光通信自適應(yīng)校正實(shí)驗(yàn),校正后波前殘差RMS由4.68rad減小到0.71rad,耦合效率提高30%,誤碼率由6.7×10~(-3)減小到2.84×10~(-6),降低了三個(gè)數(shù)量級。本文針對空間激光通信中存在強(qiáng)湍流波前探測問題和自適應(yīng)校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)問題,開展了一系列研究工作,有效解決了上述問題。本論文的研究成果為空間激光通信自適應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐,其將大力推動(dòng)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在空間激光通信中的應(yīng)用,從而推進(jìn)空間激光通信在軍民領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.1
【圖文】：

圖 1.1 自適應(yīng)光學(xué)校正原理Fig. 1.1 Principle of adaptive optical correction通信自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的研究現(xiàn)狀國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)都對自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)對行了分析，用來評估自適應(yīng)光學(xué)對激光通信性能應(yīng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于空間激光通信領(lǐng)域的研究。1了在 IM/DD 模式下光強(qiáng)起伏對通信誤碼率的影響校正能夠降低星地鏈路中由于大氣湍流引起的激間光通信系統(tǒng)的通信性能[28]。他們于 2005 年前過測量通信誤碼率的變化分析了自適應(yīng)校正對波系統(tǒng)性能的改善能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)校[29-31]

圖 1.3 日本 CRL 星地鏈路 FSOC-AO 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1.3 The FSOC-AO system structure of CRL satellite-earth lin，美國 Lawrence Livemore 國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了水平 1.3k面通信實(shí)驗(yàn)，通信速率分別為 20Gbps 和 10Gbps[2]。通徑為 40.6cm 和 50.8cm，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)利用 20*20 單頻率為 1kHz 的哈特曼探測器構(gòu)成閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，畸耦合進(jìn) 8μm 的單模光纖。由于哈特曼探測器利用 CP較慢，限制了自適應(yīng)系統(tǒng)的校正帶寬，因此波前畸變 0.75λ 的殘差，效果并不理想。圖 1.4 為實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意

圖 1.3 日本 CRL 星地鏈路 FSOC-AO 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖ig. 1.3 The FSOC-AO system structure of CRL satellite-earth l美國 Lawrence Livemore 國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了水平 1.通信實(shí)驗(yàn)，通信速率分別為 20Gbps 和 10Gbps[2]。通徑為 40.6cm 和 50.8cm，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)利用 20*20頻率為 1kHz 的哈特曼探測器構(gòu)成閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，畸耦合進(jìn) 8μm 的單模光纖。由于哈特曼探測器利用 C較慢，限制了自適應(yīng)系統(tǒng)的校正帶寬，因此波前畸變0.75λ 的殘差，效果并不理想。圖 1.4 為實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王睿;徐浩;張歡;賈宏;;海洋二號衛(wèi)星特點(diǎn)及應(yīng)用[J];中國航天;2012年10期

2 武云云;陳二虎;張宇;葉紅衛(wèi);李敏;李新陽;熊準(zhǔn);趙恒;楊智;陳晶;艾勇;;自適應(yīng)光學(xué)在光通信中的仿真與實(shí)驗(yàn)分析[J];光通信技術(shù);2012年08期

3 武云云;陳二虎;張宇;葉紅衛(wèi);李敏;李新陽;熊準(zhǔn);趙恒;楊智;陳晶;艾勇;;自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)提高FSO性能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J];光通信技術(shù);2012年04期

4 夏偉強(qiáng);周源;石明;;雙光子顯微成像技術(shù)的新進(jìn)展[J];中國醫(yī)療器械雜志;2011年03期

5 陳晶;艾勇;葉德茂;譚瑩;;16km水平激光鏈路孔徑接收條件下信號衰落規(guī)律[J];半導(dǎo)體光電;2008年06期

6 譚大川,史清白,范天泉;大氣激光通信機(jī)的設(shè)計(jì)[J];光電工程;2005年11期

7 屈軍樂,Ravi S JONNAL,Karen E THORN,Donald T MILLER;基于自適應(yīng)光學(xué)的視網(wǎng)膜單細(xì)胞光學(xué)相干層析成像技術(shù)[J];生物物理學(xué)報(bào);2004年02期

8 李新陽,姜文漢,王春紅,鮮浩,吳旭斌;激光實(shí)際大氣水平傳輸湍流畸變波前的功率譜分析II:波前相位與格林伍德頻率[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2000年08期

9 陳丹;;“哈勃”的輝煌十年[J];科技潮;2000年07期

10 李新陽,姜文漢,王春紅,鮮浩,吳旭斌;激光大氣水平傳輸湍流畸變波前的功率譜分析I:波前整體傾斜與泰勒頻率[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2000年07期

本文編號：2766040