空間光傳輸系統(tǒng)中光信號(hào)處理技術(shù)研究.pdf

1、本文圍繞與空間光傳輸相關(guān)的兩個(gè)系統(tǒng):自由空間量子密鑰分配系統(tǒng)和激光目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展研究。兩者均可以歸結(jié)為主動(dòng)式光電收發(fā)系統(tǒng)，在基本原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、器件使用方面有共性之處。文章對(duì)上述兩類(lèi)系統(tǒng)中涉及的關(guān)鍵光器件改進(jìn)及創(chuàng)新型應(yīng)用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，光信號(hào)處理技術(shù)改進(jìn)等方面進(jìn)行了深入的分析研究。
　　 首先，對(duì)于自由空間量子密鑰分配系統(tǒng)中涉及的單光子信號(hào)偏振退化問(wèn)題進(jìn)行分析，指出系統(tǒng)中涉及的偏振無(wú)關(guān)分束器(NPBS)對(duì)不同偏振態(tài)的相移誤

2、差會(huì)引起光子偏振態(tài)退化，進(jìn)而形成誤碼。根據(jù)分析結(jié)果和已有的系統(tǒng)光器件結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)制作了基于偏振編碼BB84協(xié)議的新型光器件:四偏振分束器。該器件充分考慮了偏振無(wú)關(guān)分束器對(duì)偏振光相位的影響，通過(guò)合理光路設(shè)計(jì)和優(yōu)化減少由此引起的偏振退化，很好的克服了多個(gè)分離光器件組合使用時(shí)空氣與介質(zhì)交界面引入的多次反射損耗和雜散光，對(duì)于降低系統(tǒng)誤碼率是有益的。該器件首先被應(yīng)用于自由空間量子密鑰分配系統(tǒng)接收端實(shí)現(xiàn)分束檢偏功能，通過(guò)外場(chǎng)200米空間鏈

3、路上的密鑰分配實(shí)驗(yàn)對(duì)這一器件的可用性和有效性進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)中平均每脈沖光子數(shù)為0.1的時(shí)候測(cè)得系統(tǒng)誤碼率0.91％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該器件的設(shè)計(jì)制作達(dá)到了預(yù)期要求，系統(tǒng)篩選密鑰誤碼率維持在較低水平。
　　 四偏振分束器對(duì)影響誤碼的偏振無(wú)關(guān)分束器偏振退化問(wèn)題進(jìn)行了控制，并且減輕了系統(tǒng)調(diào)整難度。為充分發(fā)揮該器件的優(yōu)勢(shì)，提出并實(shí)現(xiàn)了在接收端和發(fā)射端正交對(duì)稱(chēng)使用該器件的系統(tǒng)整體光路優(yōu)化方案。通過(guò)理論計(jì)算證明這種優(yōu)化方法對(duì)于補(bǔ)償分束器殘余的偏

4、振相移誤差具有非常好的效果。隨后完成系統(tǒng)樣機(jī)設(shè)計(jì)，在1.3公里距離上進(jìn)行了外場(chǎng)量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)，平均每脈沖光子數(shù)為0.1的時(shí)候得到誤碼率為2.8％，整個(gè)系統(tǒng)的工作非常穩(wěn)定可靠。為進(jìn)一步驗(yàn)證這種光路優(yōu)化方法的優(yōu)勢(shì)，又進(jìn)行了不同發(fā)射端機(jī)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明四偏振分束器正交配對(duì)使用的方案在簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)保持了良好的系統(tǒng)性能。
　　 激光目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)是本文研究的另外一類(lèi)空間光傳輸系統(tǒng)。基于激光目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的性能提升需求，提出將I/Q

5、（in-phase/quadrature）光調(diào)制器應(yīng)用于頻率調(diào)制外差激光目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)中，代替系統(tǒng)原有的聲光調(diào)制器和電光調(diào)制器，彌補(bǔ)了原有調(diào)制器頻移量不足的問(wèn)題，極大的提高了外差探測(cè)可用調(diào)制帶寬。充分利用I/Q光調(diào)制器的載波抑制和單邊帶調(diào)制特性實(shí)現(xiàn)寬帶線(xiàn)性頻率調(diào)制的加載，通過(guò)光纖內(nèi)的距離測(cè)試分析該器件應(yīng)用于距離探測(cè)的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該器件具有良好的線(xiàn)性調(diào)制特性，可以實(shí)現(xiàn)的距離探測(cè)分辨率達(dá)到2.3cm。
　　 為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨

6、率的目標(biāo)距離和速度探測(cè)，提出將改進(jìn)后的調(diào)制波形通過(guò)I/Q光調(diào)制器加載到光載波的上下邊帶，在下邊帶進(jìn)行單頻調(diào)制，利用多普勒頻移測(cè)速，在上邊帶進(jìn)行寬帶線(xiàn)性頻率調(diào)制測(cè)距，通過(guò)速度補(bǔ)償函數(shù)解距離-速度耦合。該方法解除了速度探測(cè)對(duì)距離探測(cè)的依賴(lài)，在求解真實(shí)距離時(shí)所需要進(jìn)行的解耦方法簡(jiǎn)單易行，從而實(shí)現(xiàn)距離和速度的同時(shí)高精度無(wú)干擾探測(cè)。隨后改進(jìn)了頻率調(diào)制外差激光目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的距離和速度進(jìn)行探測(cè)，實(shí)測(cè)信號(hào)3dB帶寬對(duì)應(yīng)距離分辨率約