空間光傳輸系統(tǒng)中光信號處理技術(shù)研究.pdf

1、本文圍繞與空間光傳輸相關(guān)的兩個系統(tǒng):自由空間量子密鑰分配系統(tǒng)和激光目標探測系統(tǒng)開展研究。兩者均可以歸結(jié)為主動式光電收發(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。文章對上述兩類系統(tǒng)中涉及的關(guān)鍵光器件改進及創(chuàng)新型應(yīng)用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，光信號處理技術(shù)改進等方面進行了深入的分析研究。
　　 首先，對于自由空間量子密鑰分配系統(tǒng)中涉及的單光子信號偏振退化問題進行分析，指出系統(tǒng)中涉及的偏振無關(guān)分束器(NPBS)對不同偏振態(tài)的相移誤

2、差會引起光子偏振態(tài)退化，進而形成誤碼。根據(jù)分析結(jié)果和已有的系統(tǒng)光器件結(jié)構(gòu)提出改進方案，設(shè)計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關(guān)分束器對偏振光相位的影響，通過合理光路設(shè)計和優(yōu)化減少由此引起的偏振退化，很好的克服了多個分離光器件組合使用時空氣與介質(zhì)交界面引入的多次反射損耗和雜散光，對于降低系統(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)接收端實現(xiàn)分束檢偏功能，通過外場200米空間鏈

3、路上的密鑰分配實驗對這一器件的可用性和有效性進行檢測，實驗中平均每脈沖光子數(shù)為0.1的時候測得系統(tǒng)誤碼率0.91％。實驗結(jié)果表明該器件的設(shè)計制作達到了預(yù)期要求，系統(tǒng)篩選密鑰誤碼率維持在較低水平。
　　 四偏振分束器對影響誤碼的偏振無關(guān)分束器偏振退化問題進行了控制，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，提出并實現(xiàn)了在接收端和發(fā)射端正交對稱使用該器件的系統(tǒng)整體光路優(yōu)化方案。通過理論計算證明這種優(yōu)化方法對于補償分束器殘余的偏

4、振相移誤差具有非常好的效果。隨后完成系統(tǒng)樣機設(shè)計，在1.3公里距離上進行了外場量子密鑰分配實驗，平均每脈沖光子數(shù)為0.1的時候得到誤碼率為2.8％，整個系統(tǒng)的工作非常穩(wěn)定可靠。為進一步驗證這種光路優(yōu)化方法的優(yōu)勢，又進行了不同發(fā)射端機的對比實驗，結(jié)果證明四偏振分束器正交配對使用的方案在簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時保持了良好的系統(tǒng)性能。
　　 激光目標探測系統(tǒng)是本文研究的另外一類空間光傳輸系統(tǒng)。基于激光目標探測系統(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)制外差激光目標探測系統(tǒng)中，代替系統(tǒng)原有的聲光調(diào)制器和電光調(diào)制器，彌補了原有調(diào)制器頻移量不足的問題，極大的提高了外差探測可用調(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)制特性實現(xiàn)寬帶線性頻率調(diào)制的加載，通過光纖內(nèi)的距離測試分析該器件應(yīng)用于距離探測的可行性。實驗結(jié)果顯示該器件具有良好的線性調(diào)制特性，可以實現(xiàn)的距離探測分辨率達到2.3cm。
　　 為了同時實現(xiàn)高分辨

6、率的目標距離和速度探測，提出將改進后的調(diào)制波形通過I/Q光調(diào)制器加載到光載波的上下邊帶，在下邊帶進行單頻調(diào)制，利用多普勒頻移測速，在上邊帶進行寬帶線性頻率調(diào)制測距，通過速度補償函數(shù)解距離-速度耦合。該方法解除了速度探測對距離探測的依賴，在求解真實距離時所需要進行的解耦方法簡單易行，從而實現(xiàn)距離和速度的同時高精度無干擾探測。隨后改進了頻率調(diào)制外差激光目標探測系統(tǒng)，在實驗室內(nèi)對旋轉(zhuǎn)圓盤的距離和速度進行探測，實測信號3dB帶寬對應(yīng)距離分辨率約