發(fā)布時(shí)間：2020-10-25 19:23

　　 當(dāng)?shù)孛嬉苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)正大踏步邁進(jìn)Gbps級(jí)別速率的5G時(shí)代時(shí),依賴無(wú)線微波建立的星地通信系統(tǒng)大部分仍然停留在Kbps的速率。這主要是因?yàn)樾堑赝ㄐ啪嚯x遠(yuǎn),要實(shí)現(xiàn)高速率傳輸,無(wú)線微波通信終端功耗、體積、質(zhì)量都會(huì)增加,這會(huì)成倍增加衛(wèi)星制造和發(fā)射成本。同時(shí),太空中復(fù)雜的電磁環(huán)境也限制了高速率無(wú)線微波通信系統(tǒng)的應(yīng)用。伴隨著衛(wèi)星大數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨,激光通信有望成為下一代星地通信系統(tǒng)的主要傳輸方式。近幾年,衛(wèi)星已經(jīng)逐步向小型化、輕型化、低功耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化的方向發(fā)展,這主要是因?yàn)橘|(zhì)量大、系統(tǒng)復(fù)雜的衛(wèi)星一方面發(fā)射成本高,另一方面故障風(fēng)險(xiǎn)大,不利于航天工程的發(fā)展。因此,星地激光通信鏈路建立所面臨的一系列技術(shù)難題,更多地需要依賴提高地面站的性能來(lái)解決。包括要提高地面站的探測(cè)能力、分辨能力、跟蹤能力、大氣干擾克服能力、光纖耦合能力等。而大口徑接收望遠(yuǎn)鏡與自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)相結(jié)合是一條比較合理的發(fā)展路線。一方面可以充分利用大口徑望遠(yuǎn)鏡在快速捕獲、高靈敏度探測(cè)、高精度跟蹤等方面的巨大優(yōu)勢(shì),另一方面利用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)彌補(bǔ)大口徑望遠(yuǎn)鏡在大氣干擾方面的弱勢(shì)。本論文圍繞著大口徑自適應(yīng)光學(xué)星地激光通信地面站的建立所亟需解決的捕獲跟蹤技術(shù)、同軸發(fā)射技術(shù)、湍流抑制技術(shù)、光纖耦合技術(shù),開展了前期的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先,通過(guò)理論分析計(jì)算了衛(wèi)星的星等以及望遠(yuǎn)鏡的口徑與極限探測(cè)星等關(guān)系,對(duì)比了各種捕獲方案,體現(xiàn)了大口徑望遠(yuǎn)鏡在衛(wèi)星遠(yuǎn)距離、低亮度的情況下所具有的快速捕獲能力。其次,在發(fā)射系統(tǒng)中,針對(duì)共光路同頻收發(fā)回光干擾大的問(wèn)題,提出了一種旋轉(zhuǎn)式的偏振隔離方案,該方案的收發(fā)隔離度達(dá)到90dB以上。針對(duì)望遠(yuǎn)鏡桁架對(duì)多模信標(biāo)激光發(fā)射的干擾問(wèn)題,提出了主動(dòng)共軸的發(fā)射方案,并詳細(xì)研究了基于SPGD的多模光纖共軸算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方案和算法可以在2秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)四路上行信標(biāo)的主動(dòng)共軸發(fā)射。接著,從理論推導(dǎo)并結(jié)合數(shù)值仿真,分析了大氣湍流對(duì)通信質(zhì)量的影響,結(jié)果表明即使是弱湍流情況下,大氣湍流對(duì)星地激光通信質(zhì)量也會(huì)有嚴(yán)重的影響;通過(guò)建模和仿真,分析了星地激光通信對(duì)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)能力的要求。結(jié)果表明,星地激光通信自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)所具備的湍流抑制能力需要遠(yuǎn)高于天文成像自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),其校正殘差小于0.16λ的概率要大于99.98%。進(jìn)一步,為了滿足這一需求,提出了獨(dú)立積分加權(quán)直接斜率控制算法來(lái)抑制星地激光光束的不均勻閃爍現(xiàn)象,從而達(dá)到提高自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的校正精度的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在邊緣閃爍嚴(yán)重的情況下,該算法能夠?qū)⒆赃m應(yīng)光學(xué)的校正精度提高10%以上。然后,分別進(jìn)行了三次不同條件下的自適應(yīng)光學(xué)空間激光通信實(shí)驗(yàn),分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),表明自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以顯著提高通信質(zhì)量。最后,針對(duì)光纖耦合系統(tǒng)探測(cè)靈敏度低、耦合效率低的問(wèn)題,提出了相干探測(cè)耦合技術(shù)。該技術(shù)即充分利用了相干探測(cè)靈敏度高的優(yōu)勢(shì),又能夠主動(dòng)補(bǔ)償耦合系統(tǒng)的高頻抖動(dòng)誤差。仿真結(jié)果表明,該方法可以在耦合功率極低的情況下獲取高耦合效率。以上所開展的基于大口徑的星地激光通信地面站關(guān)鍵技術(shù)研究,能夠?yàn)榈孛嬲镜慕ㄔO(shè)提供指導(dǎo),為我國(guó)航天工程的發(fā)展提供有力的技術(shù)保障。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(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)位年份】：2019
【中圖分類】：TN927.2
【部分圖文】：

圖５??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｉｍａｇｉｎａｒｙ?ｐｉｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ＳＴＲＶ－２?ｃａｒｒｉｅｄ?ｏｎ?ＴＳＸ－５．??

Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?ＯＰＡＬＳ?ｍｉｓｓｉｏｎ?ｃｏｎｃｅｐｔ?ｏｆ?ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ．??２０１４年６月，美國(guó)又成功進(jìn)行了激光通舊光學(xué)載荷實(shí)驗(yàn)（ＯＰＡＬＳ）?［２４－２７］，??完成了國(guó)際空間站到地的近地激光通＃鏈路，其系統(tǒng)如圖１．３所示。早期實(shí)驗(yàn)采??４??

校正的激光通信實(shí)驗(yàn)［２８，?２９］，通信碼率達(dá)到了?Ｇｂｐｓ級(jí)別。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了??ＡＯ技術(shù)在星地激光通信中的應(yīng)用，取得了很好的效果，驗(yàn)證了ＡＯ技術(shù)對(duì)于星??地激光通債的有效性，圖１．４是其地面系統(tǒng)的光路圖以及校正效果示意圖。??ｆ?〇?？）?ｉｍａｉｅ??？?—??Ｉ?■?■?Ｋｅｉ？ｖ〇｜Ｋｉ？ｓ??Ｔｒ＊＊ｉｎｉ??，?????ｒ￣ｎ?Ｃ＊ｍｅｒ＃?ｆ?＊?１??＞?２??＾???＾?ＦＳＵ．?〇?，?６?？＊?｛?［Ｐ—＿??＾?＾?７?ＰＯ?Ｐｏｗｅｒ?Ｖｙ?＾?ＩＳ—??ｙ?．?Ｍｏｎｉｗ?＾?１?ｃａｍｅｒａ??Ｌ＿Ｓｒ＾??Ｖｓ－ｓ＾Ｏ＾?Ｂ？＾〇ｕｍｐ?［Ｊ?［Ｊ?Ｍ?［Ｉ?吣撕ｅｃｅｄｏｔｎｐｕｕｏＭ＊??＊?，?ＭＭｆｓｅｅ－ｒＣｏｇｐｌｅａ?—?１?ｌ?＼??：二＝＝???ｃ．＾ｒ＾－Ｌ＾?￣??ＴｆａｎｓｍｎｅｆＳｗｍ?ＣｉｎＰ—？?ＬＮＡ??２０ＣＭＪ?｜?＊??ＰｆｔＧ＾ｌｅｒ??—１呢咖??Ｎｅｗ?Ｂｅｃｅｗ??圖１．４?ＯＰＡＬＳ系統(tǒng)采用的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)；??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｔｈｅ?ＡＯ?ｓｙｓｔｅｍ?ｏｆ?ＯＰＡＬＳ．??２０１７年，美國(guó)ＮＡＳＡ開始計(jì)劃開展激光通信中繼演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)（ＬＣＲＤ）??［３０－３３］，將演示同歩軌道到地的雙向高速激光通傳，同時(shí)利用ＧＥＯ衛(wèi)星完成地??面兩個(gè)接收站的高速中繼通儀。該項(xiàng)目計(jì)劃于２０１９年開始建設(shè)
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本文編號(hào)：2855855