深空光通信中多像素光子计数器阵列接收技术研究

发布时间：2020-06-18 15:27

【摘要】：深空光通信中,脉冲位置调制(Pulse Position Modulation,PPM)和光子探测器阵列两项技术因具有能量效率高和探测效率高等优点而得到广泛应用。而激光信号在传输过程中会受到深空信道中大气湍流、背景光等特性的影响,从而使得接收端的光信号发生扩展、破碎以及强度闪烁等现象。本文针对接收端光信号的特点对接收方案进行改进和优化。首先,针对传统的基于焦平面直接探测接收方案中探测器阵列接收到的光信号分布不均匀问题,本文提出一种基于准直的接收方案。该方案主要在接收天线焦平面处放置一个小孔光阑,激光信号经过小孔光阑后再经准直镜到达光子探测器阵列上。相比于传统的基于焦平面直接探测接收方案,该方案中通过准直镜后到达光子探测器阵列上的光信号更加均匀。另外针对背景光的干扰,本方案中对小孔光阑的孔径大小进行优化,并得到不同条件下对应的最优孔径大小,从而有效抑制背景光的干扰。仿真结果表明,基于准直的接收方案在背景光越大和湍流越强时性能提升更加明显。最优孔径大小也随着背景光和湍流条件的不同而改变。其次,由于多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter,MPPC)是一种具有阵列结构的高性能光子探测模块,能够实现单光子探测,并具有有效探测区域较大的特点。本文针对该特点提出了一种基于单个MPPC的新型阵列接收方案。该方案主要通过将万向支架上多个天线接收到的光信号经多模光纤共同传输至同一个MPPC的有效探测区域。相比于采用多个MPPC的阵列接收方案,该新型阵列接收方案既极大节约了光子探测器的个数,又有效降低了探测器暗计数的影响。仿真结果表明,在背景光较小的情况下,采用该种基于单个MPPC的新型阵列接收方案的系统性能更好。最后,本文搭建了激光通信系统并进行测试。实验中先解决MPPC的光子计数问题,然后采用一种基于频偏和初始相偏直接预测的方法来实现时隙同步。再对加小孔光阑和准直镜的接收方案进行验证。实验结果表明,采用MPPC能够实现极弱光下的光子计数,并在加上小孔光阑和准直镜后系统性能均有一定的提升。
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.1
【图文】：

对比图,大气相干长度,下接,焦平面

在深空激光通信中，激光光束通过大气湍流信道后会使得接收端的光斑出现扩散、漂移甚至破碎，这将会严重制约着激光在通信系统中的应用。本文通过前面介绍的多相位屏的方法对大气湍流进行模拟，如图 2.4 所示。仿真参数设置为：激光波长 =1064 nm，天顶角 =60，天线直径 D 1m，风速 v 21m/s，湍流的内外尺度分别为0L =100 m，0l =0.001 m。图 (b)中近地面的折射率结构常数15 2/3A9.4 10 m ，图(c)中14 2/3A4.4 10 m 。图(a)为理想情况下接收到的艾里光斑，对比图(b)和图(c)可知接收端天线焦平面处的光斑发生了漂移和破碎，并且随着湍流强度的增加，光斑漂移和破碎变得更为严重。若此时将光子探测器直接放在焦平面处对光信号进行探测，需要解决的关键问题是如何选择合适的探测器尺寸。当探测器尺寸足够大时，这样能够确保接收到大部分的光信号，但此时探测器尺寸较大也会接收到更多的背景光。因此有必要对探测器的尺寸进行优化，让光子探测器既能有效的接收到光信号又能减少背景光噪声的影响。

实物,用户数据,时隙宽度,符号

图 5.4 系统发射端实物图CRC 卷积码编码随机交织器 PPM调制外码内码SCPPM用户数据调制数据输出图 5.5 SCPPM 编码结构示意图在计算机上通过上述 SCPPM 系统完成对原始用户数据的编码调制后，再将调制后的数据传输到 FPGA 中，FPGA 再驱动激光器发射出受数据调制的光 PPM 脉冲序列。实验中采用 64-PPM 调制方式，调制采用 31.25 MHz 时钟，每一帧包含2520 个符号，每个符号共包含 65 个时隙（其中 1 个为保护时隙），PPM 时隙宽度为 32 ns。则可知每 2080 ns 可以传递 6 bit 信息，通信速率为 2.88 Mbit/s。

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