空间激光通信自适应光学系统的控制研究

发布时间：2021-02-21 19:35

　　空间激光通信是指信息以激光为载体,在空间进行数据传输,它结合了无线通信和光纤通信的优点,具有通信速率高、频带宽、容量大、保密性好、抗电磁干扰、体积小、功率低、施工简单等优点,逐渐成为下一代高速无线通信的核心。除外太空的激光通信外,空间激光通信的传输信道都要经过地表大气层,大气层进行空间激光通信面临的主要问题是大气湍流引起的激光能量衰减、光束到达角起伏、光斑质心漂移和扩展等,这严重降低了空间激光通信系统性能。为了缓解大气湍流引起的效应,本研究课题拟在空间激光通信系统中加入自适应光学技术,研究自适应光学技术和空间激光通信系统结合相关的控制问题。目前,国内外还没有关于空间激光通信自适应光学系统控制问题的针对性研究。本论文定量分析了自适应光学系统控制性能对空间激光通信性能的影响,为空间激光通信自适应光学系统控制器设计提供理论依据;研究了空间激光通信自适应光学系统中倾斜镜和变形镜的控制方法,提出了高带宽高稳定性的自适应光学系统控制方法,并通过室内实验和外场实验验证了本论文提出的理论公式和控制方法,为实现长距离、长时间、多场合、低误码率的空间激光通信奠定坚实的基础。为了定量分析自适应光学系统控制性... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省

【文章页数】：147 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
        1.1.1 空间激光通信技术的研究意义
        1.1.2 自适应光学在空间激光通信中的研究意义
        1.1.3 自适应光学系统控制技术的研究意义
    1.2 自适应光学在空间激光通信中的研究进展
        1.2.1 自适应光学系统在空间激光通信中的研究现状
        1.2.2 空间激光通信自适应光学控制方法的研究现状
    1.3 本论文的研究目的及主要研究内容
        1.3.1 研究目的
        1.3.2 主要研究内容
第2章 自适应光学校正对空间激光通信性能影响的分析
    2.1 引言
    2.2 大气湍流物理特性分析
        2.2.1 大气湍流的组成分析
        2.2.2 大气湍流的折射率起伏模型
    2.3 大气湍流的描述方法
        2.3.1 大气湍流的时间频率
        2.3.2 大气湍流的空间频率
        2.3.3 波前的Zernike模式描述
    2.4 自适应光学校正对空间激光通信误码率的影响分析
        2.4.1 大气湍流对激光通信耦合效率的影响
        2.4.2 自适应光学校正残差和激光通信误码率的关系分析
        2.4.3 数值模拟
    2.5 小结
第3章 倾斜镜的高精度模型辨识和双闭环控制方法研究
    3.1 引言
    3.2 倾斜镜控制系统的基本组成及原理
    3.3 倾斜镜波前倾斜校正系统模型辨识方法研究
        3.3.1 传递函数分析
        3.3.2 子空间辨识方法
        3.3.3 基于频率修正的子空间辨识方法
    3.4 倾斜镜校正系统双回路控制方法研究
        3.4.1 预闭环控制器设计
        3.4.2 外回路控制器设计
    3.5 小结
第4章 基于衰减因子的变形镜控制器优化设计
    4.1 引言
    4.2 激光通信自适应光学系统的组成及原理
        4.2.1 波前探测器
        4.2.2 波前校正器
        4.2.3 波前控制器
    4.3 变形镜控制器的优化设计
        4.3.1 控制系统结构
        4.3.2 基于衰减因子的PI控制器设计
        4.3.3 控制器性能分析
        4.3.4 控制效果对比分析
    4.4 小结
第5章 空间激光通信自适应光学校正实验
    5.1 引言
    5.2 自适应光学控制系统实验平台
        5.2.1 实验平台搭建
        5.2.2 哈特曼波前探测器设计
        5.2.3 倾斜镜控制系统设计
        5.2.4 变形镜控制系统设计
    5.3 自适应光学控制系统的标定和测试
        5.3.1 哈特曼探测器标定
        5.3.2 变形镜响应矩阵的测量
        5.3.3 倾斜镜控制效果测试
        5.3.4 变形镜控制带宽测试
    5.4 激光通信自适应光学校正的室内验证
        5.4.1 自适应光学技术对激光通信性能提高的有效性验证
        5.4.2 不同控制器校正性能的对比分析
        5.4.3 自适应光学校正对激光通信性能影响的实验验证
    5.5 激光通信自适应光学校正的外场实验验证
        5.5.1 外场实验条件
        5.5.2 海平面水平链路大气湍流测试
        5.5.3 自适应光学校正对激光通信性能影响的测试
    5.6 小结
第6章 结论与展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]用于高能激光的快速控制反射镜设计方法研究[J]. 刘重飞,贾建军,谢永,李长昆.  机械设计与研究. 2018(04)
[2]空间激光通信研究现状及发展趋势[J]. 任伟.  中国新通信. 2017(24)
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博士论文
[1]近地激光通信端机粗精跟踪系统非线性振动特性分析与优化[D]. 王涛.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]近海激光通信大气影响分析及抑制方法研究[D]. 高世杰.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[3]大气激光通信中光强闪烁及其抑制技术的研究[D]. 易湘.西安电子科技大学 2013
[4]提高液晶自适应光学系统校正速度的研究[D]. 刘超.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2012

硕士论文
[1]大气光通信中波前畸变补偿算法研究[D]. 汪洲.华中科技大学 2009
[2]大气信道对无线激光通信的影响[D]. 安建梅.太原理工大学 2007



本文编号：3044817