星地上行激光通信光束相位畸变预补偿研究
发布时间：2021-01-14 10:22
卫星激光通信技术具有许多突出的优点,如传输数据率高、抗电磁干扰能力强、保密性好、终端设备体积小、质量轻等,因此在国际上受到广泛重视,已成为许多航天大国的重点研究方向。地球表面围绕着一层称为大气层的混合气体,在使用激光作为信息载体进行星地光通信的过程中,激光束不可避免的要穿越其中,并且大气折射率会由于大气湍流的存在而随机变化,因此光场的相干性必然遭到破坏,使光束的波前相位发生畸变,进而导致到达角起伏、光强闪烁、光束漂移等一系列光学效应。对于大气湍流引起的各种效应,目前已有多种抑制技术,尤其是针对星地激光下行链路的补偿技术,已经相对成熟。与星地下行激光链路相比,大气湍流对于上行光束的影响更加严重,但是针对此种情况的补偿技术却鲜有报道。本文针对星地上行激光通信系统光束相位畸变的预补偿方法进行了理论和仿真研究,并分析了预补偿条件下星地上行激光通信系统的误码率。具体研究内容如下:针对大气湍流对于星地上行激光传输的影响,对利用Zernike多项式进行预补偿的方法进行了研究。分析了相位预补偿的原理,给出了补偿项数与波前误差的函数关系。研究了提前瞄准角对于预补偿效果的影响,给出了波前误差随提前瞄准角及...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
影响星地激光链路的主要因素[5]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4式进行补偿后，激光通信系统的光强闪烁效应得到了明显的抑制，系统的误码率降低了3个数量级，通信容量有所增加[12]。2001年，日本的科学家MToyoshima分析了存在随机角抖动的卫星光通信系统的平均误码率。作为对比，对无抖动时的误码率和接收功率也进行了分析，利用光信号的概率密度函数，得到了存在正态分布且圆对称抖动时的平均误码率。另外，在平均误码率功率损失最小的前提下，得到了激光的束散角与期望误码率下随机角抖动的最佳比值。使用这种近似方法可以很容易的确定束散角对随机角抖动的影响，对于光束跟踪信道和通信信道的最优链路预算有十分重要的意义[13]。2004年，欧洲的FedericoDios等人提出了一种同时考虑星地上行链路光束漂移及光强闪烁的建模方法，并提出一种数值分析混合技术，它可以提供关于光学辐照度变化的精确信息，以模拟激光束经过大气湍流后产生的光束漂移和光强闪烁对于星地系统的综合影响。提出的这种分析技术在计算时可以节省大量时间和资源，弥补了传统的快速傅里叶变换光束传播法计算量巨大的缺点[14]。2007年，军事研究实验室、智能光学实验室的MikhailA.Vorontsov等人分析了自适应激光束传播经过不均匀光学介质（大气）后，投影到具有粗糙随机表面的目标上的问题，利用目标表面反射回的波前相位或复场的共轭，对发射光束进行预补偿。如图1-2所示为利用相位共轭进行预补偿的示意图。研究结果表明，在“冻结湍流”的前提下，相位共轭（PC）和场共轭（FC）两种预补偿的方法都能使发射光束产生超聚焦效应，但是，在场共轭预补偿情况下，这种超聚焦效应更明显[15]。图1-2相位共轭预补偿[15]2014年，英国科学家MirceaHulea等人提出了一种利用球面凹面镜及单片机
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5来补偿自由空间光通信中由于大气湍流而产生的光束漂移和散射效应的方法。在城市中架设了小于500米的光通信链路，在接收端采用单片机采集湍流引起的散射光束，并利用可控硅将光聚焦到小面积的光电探测器上，以提高在湍流通道中收集入射散射光束的效率。实验结果表明，在一定波长范围内（可见光到红外光），采用凹面镜补偿光通信链路中的湍流效应是有效的，可以显著提高链路的质量因子Q，并且光斑散射和光束漂移效应得到了改善，系统性能提升。但是未对补偿效果进行详细分析，并且未确定所用凹面镜的最佳尺寸。[16]2016年，德国Fraunhofer应用光学与精密工程研究所的NinaLeonhard，ReneBerlich等人针对地面与地球同步卫星（GEO）激光通信系统，在实验室环境内进行了自适应光学（AO）预补偿实验。他们首先搭建了如图1-3所示的实验系统，此系统可以根据光束畸变情况进行实时补偿，其中所使用的上行链路和下行链路光束波长分别为1550nm和1064nm，通过自行设计制造的像差模拟器来给系统引入人工湍流，且系统链路具有一个可调节的提前瞄准角（PAA）。实验结果显示，所设计的实时AO预补偿系统有效的减少了人工湍流引起的光束漂移，未进行补偿时，光束聚焦到接收终端的概率仅为3%，而使用AO系统后这一概率提高到了66%。当上行链路存在18μrad提前瞄准角时，平均Strehlratio为（2815）%，比未补偿时增加了7倍，极大的减少了衰落概率。这些结果表明，自适应光学预补偿技术是提高卫星光通信系统性能的一种可行技术[17]。图1-3预补偿实验系统示意图[17]2017年，德国Fraunhofer应用光学与精密工程研究所的AoifeBrady，ReneBerlich等人在前述室内实验的基础上，再次进行了494m自由空间的室外实验，
【参考文献】：
期刊论文
[1]星地激光通信可靠性保障技术研究现状[J]. 徐晓帆,陆洲. 中国电子科学研究院学报. 2018(06)
[2]大气湍流等效相位屏的仿真研究[J]. 徐瑞超,高明. 西安工业大学学报. 2018(02)
[3]星地激光通信链路抗湍流干扰技术研究[J]. 彭小平,郑建生. 光通信技术. 2013(12)
[4]具有超前瞄准的地-星光通信链路中的闪烁特性研究[J]. 李玉旗,向劲松. 弹箭与制导学报. 2008(01)
[5]低阶模式校正自适应光学系统的非等晕限制[J]. 饶长辉,姜文汉,凌宁. 光学学报. 2000(11)
博士论文
[1]星地下行相干激光通信系统接收性能研究[D]. 杨清波.哈尔滨工业大学 2012
[2]星地激光通信链路中大气湍流影响的理论和实验研究[D]. 姜义君.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]大气湍流影响星地激光通信误码率建模与仿真分析[D]. 周玉松.中国科学技术大学 2017
本文编号：2976721
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
影响星地激光链路的主要因素[5]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4式进行补偿后，激光通信系统的光强闪烁效应得到了明显的抑制，系统的误码率降低了3个数量级，通信容量有所增加[12]。2001年，日本的科学家MToyoshima分析了存在随机角抖动的卫星光通信系统的平均误码率。作为对比，对无抖动时的误码率和接收功率也进行了分析，利用光信号的概率密度函数，得到了存在正态分布且圆对称抖动时的平均误码率。另外，在平均误码率功率损失最小的前提下，得到了激光的束散角与期望误码率下随机角抖动的最佳比值。使用这种近似方法可以很容易的确定束散角对随机角抖动的影响，对于光束跟踪信道和通信信道的最优链路预算有十分重要的意义[13]。2004年，欧洲的FedericoDios等人提出了一种同时考虑星地上行链路光束漂移及光强闪烁的建模方法，并提出一种数值分析混合技术，它可以提供关于光学辐照度变化的精确信息，以模拟激光束经过大气湍流后产生的光束漂移和光强闪烁对于星地系统的综合影响。提出的这种分析技术在计算时可以节省大量时间和资源，弥补了传统的快速傅里叶变换光束传播法计算量巨大的缺点[14]。2007年，军事研究实验室、智能光学实验室的MikhailA.Vorontsov等人分析了自适应激光束传播经过不均匀光学介质（大气）后，投影到具有粗糙随机表面的目标上的问题，利用目标表面反射回的波前相位或复场的共轭，对发射光束进行预补偿。如图1-2所示为利用相位共轭进行预补偿的示意图。研究结果表明，在“冻结湍流”的前提下，相位共轭（PC）和场共轭（FC）两种预补偿的方法都能使发射光束产生超聚焦效应，但是，在场共轭预补偿情况下，这种超聚焦效应更明显[15]。图1-2相位共轭预补偿[15]2014年，英国科学家MirceaHulea等人提出了一种利用球面凹面镜及单片机
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5来补偿自由空间光通信中由于大气湍流而产生的光束漂移和散射效应的方法。在城市中架设了小于500米的光通信链路，在接收端采用单片机采集湍流引起的散射光束，并利用可控硅将光聚焦到小面积的光电探测器上，以提高在湍流通道中收集入射散射光束的效率。实验结果表明，在一定波长范围内（可见光到红外光），采用凹面镜补偿光通信链路中的湍流效应是有效的，可以显著提高链路的质量因子Q，并且光斑散射和光束漂移效应得到了改善，系统性能提升。但是未对补偿效果进行详细分析，并且未确定所用凹面镜的最佳尺寸。[16]2016年，德国Fraunhofer应用光学与精密工程研究所的NinaLeonhard，ReneBerlich等人针对地面与地球同步卫星（GEO）激光通信系统，在实验室环境内进行了自适应光学（AO）预补偿实验。他们首先搭建了如图1-3所示的实验系统，此系统可以根据光束畸变情况进行实时补偿，其中所使用的上行链路和下行链路光束波长分别为1550nm和1064nm，通过自行设计制造的像差模拟器来给系统引入人工湍流，且系统链路具有一个可调节的提前瞄准角（PAA）。实验结果显示，所设计的实时AO预补偿系统有效的减少了人工湍流引起的光束漂移，未进行补偿时，光束聚焦到接收终端的概率仅为3%，而使用AO系统后这一概率提高到了66%。当上行链路存在18μrad提前瞄准角时，平均Strehlratio为（2815）%，比未补偿时增加了7倍，极大的减少了衰落概率。这些结果表明，自适应光学预补偿技术是提高卫星光通信系统性能的一种可行技术[17]。图1-3预补偿实验系统示意图[17]2017年，德国Fraunhofer应用光学与精密工程研究所的AoifeBrady，ReneBerlich等人在前述室内实验的基础上，再次进行了494m自由空间的室外实验，
【参考文献】：
期刊论文
[1]星地激光通信可靠性保障技术研究现状[J]. 徐晓帆,陆洲. 中国电子科学研究院学报. 2018(06)
[2]大气湍流等效相位屏的仿真研究[J]. 徐瑞超,高明. 西安工业大学学报. 2018(02)
[3]星地激光通信链路抗湍流干扰技术研究[J]. 彭小平,郑建生. 光通信技术. 2013(12)
[4]具有超前瞄准的地-星光通信链路中的闪烁特性研究[J]. 李玉旗,向劲松. 弹箭与制导学报. 2008(01)
[5]低阶模式校正自适应光学系统的非等晕限制[J]. 饶长辉,姜文汉,凌宁. 光学学报. 2000(11)
博士论文
[1]星地下行相干激光通信系统接收性能研究[D]. 杨清波.哈尔滨工业大学 2012
[2]星地激光通信链路中大气湍流影响的理论和实验研究[D]. 姜义君.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]大气湍流影响星地激光通信误码率建模与仿真分析[D]. 周玉松.中国科学技术大学 2017
本文编号：2976721
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