衛(wèi)星激光通信技術(shù)具有許多突出的優(yōu)點(diǎn),如傳輸數(shù)據(jù)率高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、保密性好、終端設(shè)備體積小、質(zhì)量輕等,因此在國(guó)際上受到廣泛重視,已成為許多航天大國(guó)的重點(diǎn)研究方向。地球表面圍繞著一層稱為大氣層的混合氣體,在使用激光作為信息載體進(jìn)行星地光通信的過程中,激光束不可避免的要穿越其中,并且大氣折射率會(huì)由于大氣湍流的存在而隨機(jī)變化,因此光場(chǎng)的相干性必然遭到破壞,使光束的波前相位發(fā)生畸變,進(jìn)而導(dǎo)致到達(dá)角起伏、光強(qiáng)閃爍、光束漂移等一系列光學(xué)效應(yīng)。對(duì)于大氣湍流引起的各種效應(yīng),目前已有多種抑制技術(shù),尤其是針對(duì)星地激光下行鏈路的補(bǔ)償技術(shù),已經(jīng)相對(duì)成熟。與星地下行激光鏈路相比,大氣湍流對(duì)于上行光束的影響更加嚴(yán)重,但是針對(duì)此種情況的補(bǔ)償技術(shù)卻鮮有報(bào)道。本文針對(duì)星地上行激光通信系統(tǒng)光束相位畸變的預(yù)補(bǔ)償方法進(jìn)行了理論和仿真研究,并分析了預(yù)補(bǔ)償條件下星地上行激光通信系統(tǒng)的誤碼率。具體研究?jī)?nèi)容如下:針對(duì)大氣湍流對(duì)于星地上行激光傳輸?shù)挠绊?對(duì)利用Zernike多項(xiàng)式進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行了研究。分析了相位預(yù)補(bǔ)償?shù)脑?給出了補(bǔ)償項(xiàng)數(shù)與波前誤差的函數(shù)關(guān)系。研究了提前瞄準(zhǔn)角對(duì)于預(yù)補(bǔ)償效果的影響,給出了波前誤差隨提前瞄準(zhǔn)角及... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：66 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

影響星地激光鏈路的主要因素[5]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文4式進(jìn)行補(bǔ)償后，激光通信系統(tǒng)的光強(qiáng)閃爍效應(yīng)得到了明顯的抑制，系統(tǒng)的誤碼率降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)，通信容量有所增加[12]。2001年，日本的科學(xué)家MToyoshima分析了存在隨機(jī)角抖動(dòng)的衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的平均誤碼率。作為對(duì)比，對(duì)無抖動(dòng)時(shí)的誤碼率和接收功率也進(jìn)行了分析，利用光信號(hào)的概率密度函數(shù)，得到了存在正態(tài)分布且圓對(duì)稱抖動(dòng)時(shí)的平均誤碼率。另外，在平均誤碼率功率損失最小的前提下，得到了激光的束散角與期望誤碼率下隨機(jī)角抖動(dòng)的最佳比值。使用這種近似方法可以很容易的確定束散角對(duì)隨機(jī)角抖動(dòng)的影響，對(duì)于光束跟蹤信道和通信信道的最優(yōu)鏈路預(yù)算有十分重要的意義[13]。2004年，歐洲的FedericoDios等人提出了一種同時(shí)考慮星地上行鏈路光束漂移及光強(qiáng)閃爍的建模方法，并提出一種數(shù)值分析混合技術(shù)，它可以提供關(guān)于光學(xué)輻照度變化的精確信息，以模擬激光束經(jīng)過大氣湍流后產(chǎn)生的光束漂移和光強(qiáng)閃爍對(duì)于星地系統(tǒng)的綜合影響。提出的這種分析技術(shù)在計(jì)算時(shí)可以節(jié)省大量時(shí)間和資源，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的快速傅里葉變換光束傳播法計(jì)算量巨大的缺點(diǎn)[14]。2007年，軍事研究實(shí)驗(yàn)室、智能光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的MikhailA.Vorontsov等人分析了自適應(yīng)激光束傳播經(jīng)過不均勻光學(xué)介質(zhì)（大氣）后，投影到具有粗糙隨機(jī)表面的目標(biāo)上的問題，利用目標(biāo)表面反射回的波前相位或復(fù)場(chǎng)的共軛，對(duì)發(fā)射光束進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。如圖1-2所示為利用相位共軛進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償?shù)氖疽鈭D。研究結(jié)果表明，在“凍結(jié)湍流”的前提下，相位共軛（PC）和場(chǎng)共軛（FC）兩種預(yù)補(bǔ)償?shù)姆椒ǘ寄苁拱l(fā)射光束產(chǎn)生超聚焦效應(yīng)，但是，在場(chǎng)共軛預(yù)補(bǔ)償情況下，這種超聚焦效應(yīng)更明顯[15]。圖1-2相位共軛預(yù)補(bǔ)償[15]2014年，英國(guó)科學(xué)家MirceaHulea等人提出了一種利用球面凹面鏡及單片機(jī)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文5來補(bǔ)償自由空間光通信中由于大氣湍流而產(chǎn)生的光束漂移和散射效應(yīng)的方法。在城市中架設(shè)了小于500米的光通信鏈路，在接收端采用單片機(jī)采集湍流引起的散射光束，并利用可控硅將光聚焦到小面積的光電探測(cè)器上，以提高在湍流通道中收集入射散射光束的效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)（可見光到紅外光），采用凹面鏡補(bǔ)償光通信鏈路中的湍流效應(yīng)是有效的，可以顯著提高鏈路的質(zhì)量因子Q，并且光斑散射和光束漂移效應(yīng)得到了改善，系統(tǒng)性能提升。但是未對(duì)補(bǔ)償效果進(jìn)行詳細(xì)分析，并且未確定所用凹面鏡的最佳尺寸。[16]2016年，德國(guó)Fraunhofer應(yīng)用光學(xué)與精密工程研究所的NinaLeonhard，ReneBerlich等人針對(duì)地面與地球同步衛(wèi)星（GEO）激光通信系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)進(jìn)行了自適應(yīng)光學(xué)（AO）預(yù)補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。他們首先搭建了如圖1-3所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以根據(jù)光束畸變情況進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，其中所使用的上行鏈路和下行鏈路光束波長(zhǎng)分別為1550nm和1064nm，通過自行設(shè)計(jì)制造的像差模擬器來給系統(tǒng)引入人工湍流，且系統(tǒng)鏈路具有一個(gè)可調(diào)節(jié)的提前瞄準(zhǔn)角（PAA）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)AO預(yù)補(bǔ)償系統(tǒng)有效的減少了人工湍流引起的光束漂移，未進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，光束聚焦到接收終端的概率僅為3%，而使用AO系統(tǒng)后這一概率提高到了66%。當(dāng)上行鏈路存在18μrad提前瞄準(zhǔn)角時(shí)，平均Strehlratio為（2815）%，比未補(bǔ)償時(shí)增加了7倍，極大的減少了衰落概率。這些結(jié)果表明，自適應(yīng)光學(xué)預(yù)補(bǔ)償技術(shù)是提高衛(wèi)星光通信系統(tǒng)性能的一種可行技術(shù)[17]。圖1-3預(yù)補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖[17]2017年，德國(guó)Fraunhofer應(yīng)用光學(xué)與精密工程研究所的AoifeBrady，ReneBerlich等人在前述室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再次進(jìn)行了494m自由空間的室外實(shí)驗(yàn)，

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]星地激光通信可靠性保障技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 徐曉帆,陸洲.  中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào). 2018(06)
[2]大氣湍流等效相位屏的仿真研究[J]. 徐瑞超,高明.  西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2018(02)
[3]星地激光通信鏈路抗湍流干擾技術(shù)研究[J]. 彭小平,鄭建生.  光通信技術(shù). 2013(12)
[4]具有超前瞄準(zhǔn)的地-星光通信鏈路中的閃爍特性研究[J]. 李玉旗,向勁松.  彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào). 2008(01)
[5]低階模式校正自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的非等暈限制[J]. 饒長(zhǎng)輝,姜文漢,凌寧.  光學(xué)學(xué)報(bào). 2000(11)

博士論文
[1]星地下行相干激光通信系統(tǒng)接收性能研究[D]. 楊清波.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2012
[2]星地激光通信鏈路中大氣湍流影響的理論和實(shí)驗(yàn)研究[D]. 姜義君.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2010

碩士論文
[1]大氣湍流影響星地激光通信誤碼率建模與仿真分析[D]. 周玉松.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2017



本文編號(hào)：2976721