星间激光通信若干关键技术研究

发布时间：2018-04-05 02:10

本文选题：星间激光通信　切入点：扫描捕获　出处：《中国科学院光电技术研究所》2017年博士论文

【摘要】：为满足人类对信息容量和传输速率日益增长的需求,卫星激光通信技术作为新一代空间通信技术应运而生,具有广阔的应用领域及潜在市场,必将是世界各国研究的热点。星间激光通信系统空间环境复杂、通信距离远、激光波束窄、发射功率小,在卫星之间高效快速地建立通信链路非常困难,为攻克这一难题,本课题对星间激光通信的若干关键技术展开深入研究。论文分析星间激光通信系统的功能,设计系统的结构组成,详细阐述工作原理及流程。对系统的性能指标进行分析,设计确定ATP(Acquisition,Tracking and Pointing)的功能、系统方案、结构组成及工作原理。依据设计方案,分析两个卫星激光通信终端之间建立通信链路的原理及过程,推导链路建立时间的表达式,依据系统性能指标合理分配链路建立时间。基于星间激光链路方程,对链路功率进行预算仿真,分析系统参数对链路效率及链路余量的影响,为系统参数及方案的确定提供理论指导。为了维持激光通信链路的稳定性,对链路的突发中断进行理论建模分析,确定链路中断概率与跟踪精度的关系。论文对捕获技术展开深入研究,重点分析系统的捕获策略及重要参数指标,并进行数值验证。对比不同的捕获方案及捕获方式,选择最适合于本课题的捕获方案及捕获方式。对初始偏置角的标准差及捕获不确定区进行研究,建立理论模型且进行数值分析验证。推导捕获概率的模型,分析模型组成及影响因素,并进行数值分析,确定本课题的捕获概率。深入讨论扫描步长,为实现不同扫描路径的高效扫描,对扫描光束的束散角同时引入伸缩因子和附加重叠因子,避免过度重叠扫描、几何漏扫及抖动漏扫的发生。分析对比步进扫描模式、快速扫描模式1及快速扫描模式2,建立相应的扫描时间间隔模型。同时对单场扫描理论和多场扫描理论进行分析研究,为下一步螺旋扫描技术的研究奠定理论基础。论文深入研究螺旋扫描技术,优化扫描捕获方案,进一步降低链路建立时间。理论分析不同的扫描路径,依据统计原理,推导并建立扫描捕获模型,包括等线速等螺距的螺旋线扫描、矩形螺旋扫描、菱形螺旋扫描、六边形螺旋扫描。模型建立时综合考虑系统参数、不同扫描场次理论、不同扫描模式的各种情况。分析重要系统参数捕获不确定区、扫描步长、通信距离、执行机构带宽、扫描光束束散角、探测器响应时间分别对各类模型扫描捕获性能的影响。通过改变系统相关参数,该模型既适用于有信标光的系统,也适用于无信标光的系统。不同的扫描场次、扫描模式及扫描路径相互组合,理论对比相应模型的扫描捕获性能并进行数值分析。为验证模型建立的正确性,论文设计了验证扫描捕获模型的试验方案,并进行大量试验,经统计分析,试验结果与理论仿真基本一致,表明六边形螺旋扫描的扫描捕获性能最佳。同时,对扫描捕获的主要执行机构二维伺服转台进行初步研究,分析对比不同转台结构的优缺点,最终选用经纬仪式的机架结构,并对该结构的性能指标及结构方案进行设计。在星间激光通信系统中,不论在捕获阶段、通信阶段,还是在地面测试阶段,通信终端的探测器一直探测激光光束,经光电转化、模数转换、信号处理等实现最终功能。探测到的原信号受噪声干扰,信噪比降低,为改善原始信号的质量,提高信噪比,论文根据实际需求提出抛物线低通滤波算法,对探测到的信号进行降噪处理。分析抛物线低通滤波算法的原理及工作流程,推导频域窗函数的表达式,根据最小均方差准则,推导出最优通过频率及截止频率的表达式。以输入信号和输出信号的均方差和信噪比为标准,对抛物线低通滤波算法及其他滤波算法同时进行仿真与实验,实验结果和仿真结果一致表明抛物线低通滤波算法能够快速地对原始信号进行处理,有效地保留局部细节信息同时提高信号的信噪比。
[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 .

【学位授予单位】：中国科学院光电技术研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN929.1

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