非柯湍流对空间光通信系统中单模光纤耦合效率影响研究

发布时间：2020-06-22 14:15

【摘要】：空间激光通信技术作为下一代通信技术,近年来受到了世界各国的广泛关注,并在该研究领域展开了激烈的竞争。目前在空间激光通信研究领域处于领先地位的是美国、欧洲和日本,他们对该领域的研究均已进入了卫星实验阶段,其他国家也在大力发展空间激光通信技术。利用成熟的地面光纤通信技术来提高空间激光通信系统性能已成为主流选择之一,光放大器和波分复用技术可以有效地提高空间激光通信系统的探测灵敏度和通信数据率。因此,空间光耦合进单模光纤的耦合效率将直接影响系统能量使用效率,而受卫星平台有效载荷功耗和体积苛刻的条件限制,提高耦合效率也是必须研究的,近些年来已形成了研究热点。在空间激光通信链路中,由于湍流会造成大气信道折射率的随机起伏,信号光在传输时会产生波前相位畸变且空间相干性下降,使接收端光场与单模光纤模场的匹配程度降低,引入了耦合损耗,导致空间光至单模光纤耦合效率下降。迄今为止,大气湍流对空间激光通信系统性能影响的研究主要考虑的是Kolmogorov湍流,然而近年来越来越多的理论和实验研究结果已经表明,Non-Kolmogorov湍流是更接近大气湍流实际情况的理想模型,该模型增加了功率谱幂律α这一重要参数。目前,针对基于单模光纤耦合的空间激光通信系统需要研究的问题如下:(1)功率谱幂律α的改变将对大气湍流的状态造成影响,使经过大气湍流后的信号光场发生改变,导致单模光纤耦合效率发生变化,进而对空间激光通信系统性能产生影响。因此,需要建立基于Non-Kolmogorov湍流的单模光纤平均耦合效率理论模型。(2)针对功率谱幂律α的实时动态随机变化情况,需建立基于Non-Kolmogorov湍流的光强起伏时间频率谱理论模型。(3)空间激光通信系统采用光纤耦合技术时,系统误码率一般与光纤耦合效率并不满足线性的制约关系,且需对接收到的信号光场进行相位补偿。因此,在分析空间激光通信系统性能时光纤耦合效率的概率分布至关重要,需建立基于Non-Kolmogorov湍流的经过相位补偿后单模光纤耦合效率概率分布理论模型。本文的主要创新工作是以大气湍流实际情况(Non-Kolmogorov湍流)为研究对象,针对以上存在的问题:1.建立了基于Non-Kolmogorov湍流的单模光纤平均耦合效率理论模型,获得了功率谱幂律α参数变化与单模光纤平均耦合效率的相互制约关系。2.建立了基于Non-Kolmogorov湍流的光强起伏时间频率谱理论模型,给出了高斯光束光强起伏时间频率谱随发射参数的变化关系,为实验测量功率谱幂律α提供了理论依据。3.建立了基于Non-Kolmogorov湍流的经过相位补偿后单模光纤耦合效率概率分布理论模型,分析了发射参数和功率谱幂律α对高斯光束经过相位补偿后单模光纤耦合效率概率分布的影响。4.针对所建立理论模型进行实验验证,进行了11.16km城市水平链路空间光至单模光纤耦合实验。本文的研究工作是关于Non-Kolmogorov湍流及其对空间光至单模光纤耦合效率影响的应用基础研究,解决了空间激光通信系统中亟需面对的科学问题,即功率谱幂律α对空间光至单模光纤耦合影响的问题。该项研究进一步扩展了空间光至单模光纤耦合理论,为基于光纤耦合的空间激光通信系统设计以及参数优化提供了理论依据。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.1
【图文】：

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图1-1 LADEE飞船及其激光通信终端的照片hotographs of the LADEE satellite and the laser communicat 月，NASA在美国弗吉尼亚州瓦勒普斯岛成功发射(Lunar Atmosphere and Dust Environment Explor了麻省理工学院林肯实验室研制的月地激光通信演nications Demonstration, LLCD )终端。在此次实验利用脉冲位置调制(Pulse Position Modulation, PP激光通信，其中上行激光通信数据率为 20Mbps，Mbps[16-26]。图 1-1 给出了美国月球大气尘埃环

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5.1 实验系统及方案5.1.1 大气外场光纤耦合实验系统图 5-1 给出了大气外场光纤耦合实验的光学链路图，链路的发射端在哈尔滨市松北区的一栋楼房中，接收端在哈尔滨市南岗区的另一栋楼房中。GPS 测得发射端和接收端之间的直线距离约为 11.16km。实验链路所经过的地形非常复杂，其中包括了街道、建筑物、松花江以及松花江周围的湿地等，因此实验链路无法保证均匀的大气状态，这将会对实验结果产生一定程度的影响。

【参考文献】