基于大口径望远镜的星地激光通信地面站关键技术研究

发布时间：2020-10-25 19:23

　　 当地面移动通信网络正大踏步迈进Gbps级别速率的5G时代时,依赖无线微波建立的星地通信系统大部分仍然停留在Kbps的速率。这主要是因为星地通信距离远,要实现高速率传输,无线微波通信终端功耗、体积、质量都会增加,这会成倍增加卫星制造和发射成本。同时,太空中复杂的电磁环境也限制了高速率无线微波通信系统的应用。伴随着卫星大数据时代的来临,激光通信有望成为下一代星地通信系统的主要传输方式。近几年,卫星已经逐步向小型化、轻型化、低功耗、结构简单化的方向发展,这主要是因为质量大、系统复杂的卫星一方面发射成本高,另一方面故障风险大,不利于航天工程的发展。因此,星地激光通信链路建立所面临的一系列技术难题,更多地需要依赖提高地面站的性能来解决。包括要提高地面站的探测能力、分辨能力、跟踪能力、大气干扰克服能力、光纤耦合能力等。而大口径接收望远镜与自适应光学技术相结合是一条比较合理的发展路线。一方面可以充分利用大口径望远镜在快速捕获、高灵敏度探测、高精度跟踪等方面的巨大优势,另一方面利用自适应光学技术弥补大口径望远镜在大气干扰方面的弱势。本论文围绕着大口径自适应光学星地激光通信地面站的建立所亟需解决的捕获跟踪技术、同轴发射技术、湍流抑制技术、光纤耦合技术,开展了前期的理论研究和实验验证。首先,通过理论分析计算了卫星的星等以及望远镜的口径与极限探测星等关系,对比了各种捕获方案,体现了大口径望远镜在卫星远距离、低亮度的情况下所具有的快速捕获能力。其次,在发射系统中,针对共光路同频收发回光干扰大的问题,提出了一种旋转式的偏振隔离方案,该方案的收发隔离度达到90dB以上。针对望远镜桁架对多模信标激光发射的干扰问题,提出了主动共轴的发射方案,并详细研究了基于SPGD的多模光纤共轴算法。实验结果表明,该方案和算法可以在2秒内实现四路上行信标的主动共轴发射。接着,从理论推导并结合数值仿真,分析了大气湍流对通信质量的影响,结果表明即使是弱湍流情况下,大气湍流对星地激光通信质量也会有严重的影响;通过建模和仿真,分析了星地激光通信对自适应光学系统能力的要求。结果表明,星地激光通信自适应光学系统所具备的湍流抑制能力需要远高于天文成像自适应光学系统,其校正残差小于0.16λ的概率要大于99.98%。进一步,为了满足这一需求,提出了独立积分加权直接斜率控制算法来抑制星地激光光束的不均匀闪烁现象,从而达到提高自适应光学系统的校正精度的目的。实验结果表明,在边缘闪烁严重的情况下,该算法能够将自适应光学的校正精度提高10%以上。然后,分别进行了三次不同条件下的自适应光学空间激光通信实验,分析了实验结果,验证了相关关键技术,表明自适应光学技术可以显著提高通信质量。最后,针对光纤耦合系统探测灵敏度低、耦合效率低的问题,提出了相干探测耦合技术。该技术即充分利用了相干探测灵敏度高的优势,又能够主动补偿耦合系统的高频抖动误差。仿真结果表明,该方法可以在耦合功率极低的情况下获取高耦合效率。以上所开展的基于大口径的星地激光通信地面站关键技术研究,能够为地面站的建设提供指导,为我国航天工程的发展提供有力的技术保障。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN927.2
【部分图文】：

图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，美国又成功进行了激光通舊光学载荷实验（ＯＰＡＬＳ）?［２４－２７］，??完成了国际空间站到地的近地激光通＃链路，其系统如图１．３所示。早期实验采??４??

校正的激光通信实验［２８，?２９］，通信码率达到了?Ｇｂｐｓ级别。该实验系统实现了??ＡＯ技术在星地激光通信中的应用，取得了很好的效果，验证了ＡＯ技术对于星??地激光通債的有效性，图１．４是其地面系统的光路图以及校正效果示意图。??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??图１．４?ＯＰＡＬＳ系统采用的自适应光学系统；??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｔｈｅ?ＡＯ?ｓｙｓｔｅｍ?ｏｆ?ＯＰＡＬＳ．??２０１７年，美国ＮＡＳＡ开始计划开展激光通信中继演示验证实验（ＬＣＲＤ）??［３０－３３］，将演示同歩轨道到地的双向高速激光通傳，同时利用ＧＥＯ卫星完成地??面两个接收站的高速中继通儀。该项目计划于２０１９年开始建设
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本文编号：2855855