波前畸變對(duì)星間激光通信鏈路性能的影響研究.pdf

1、衛(wèi)星激光通信技術(shù)是衛(wèi)星通信領(lǐng)域新興的高新技術(shù)，是建立衛(wèi)星高速通信系統(tǒng)的有效手段。目前，美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)開(kāi)展了衛(wèi)星激光通信技術(shù)的研究工作。美國(guó)歷時(shí)50年才突破了衛(wèi)星激光通信的關(guān)鍵技術(shù)，使其進(jìn)入應(yīng)用，歐空局及日本尚未公布實(shí)際應(yīng)用計(jì)劃。
　　為了建立可遠(yuǎn)達(dá)數(shù)萬(wàn)公里的衛(wèi)星激光鏈路，激光通信終端必須具有高精度的光束控制能力，對(duì)光束的快速捕獲能力，高靈敏度探測(cè)能力及高精度穩(wěn)定跟蹤及通信能力，為確保以上工作能力，對(duì)光束的質(zhì)量要求

2、很高，為此，對(duì)光場(chǎng)分布和光束質(zhì)量的研究是十分必要的。
　　在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，理想光束的光場(chǎng)可認(rèn)為是平面波或高斯波。但是，受光學(xué)元件表面加工誤差、光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)誤差以及空間環(huán)境的影響，由光學(xué)天線發(fā)射的激光光束通常都不是理想光束，而是具有一定波前誤差的畸變光束。波前畸變將對(duì)光信號(hào)的傳輸造成影響，使接收端的光場(chǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)光束的瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤造成影響，使衛(wèi)星激光通信鏈路的穩(wěn)定性下降，甚至導(dǎo)致鏈路的中斷，因此，波前畸變對(duì)衛(wèi)星激光通信性能的

3、影響問(wèn)題是衛(wèi)星光通信領(lǐng)域急需解決的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。主要包括以下幾方面內(nèi)容：
　　針對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中光束波前出現(xiàn)的局部畸變情況，建立局部波前畸變理論模型，解決利用Zernike多項(xiàng)式展開(kāi)方法不能對(duì)局部畸變半徑、深度和位置等特征參量進(jìn)行定量分析的問(wèn)題；
　　建立波前畸變對(duì)瞄準(zhǔn)和捕獲偏差影響的理論模型，解決分析整體和局部波前畸變對(duì)瞄準(zhǔn)和捕獲性能影響的問(wèn)題；
　　建立波前畸變對(duì)天線接收能量影響的理論模型，解決分析整體和局部波前畸變對(duì)

4、天線接收能量影響的問(wèn)題；
　　建立衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)存在條件下波前畸變對(duì)通信誤碼率影響的理論模型，解決分析整體和局部波前畸變對(duì)系統(tǒng)通信性能影響的問(wèn)題。
　　為減小波前畸變的影響，傳統(tǒng)的方法是盡量提高光學(xué)系統(tǒng)的加工和裝調(diào)精度，而此方法必然增加衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的研制難度。通過(guò)分析波前畸變對(duì)衛(wèi)星激光通信性能的影響，可得到光學(xué)系統(tǒng)各級(jí)像差、局部畸變特性與系統(tǒng)瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤、通信性能的關(guān)系，為優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)、提出波前畸變有效補(bǔ)償方法打下基礎(chǔ)。

5、本文針對(duì)波前畸變對(duì)衛(wèi)星激光鏈路性能的影響進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。主要完成了以下四個(gè)方面工作：
　　1.針對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中出現(xiàn)的局部波前畸變情況，建立了局部波前畸變理論模型分別針對(duì)透鏡和反射鏡中單個(gè)和多個(gè)局部畸變建立了局部畸變模型——截?cái)嘈蜋E圓高斯模型。其中定義了畸變半徑、畸變深度和畸變位置等局部畸變特征參數(shù)，解決了利用Zernike多項(xiàng)式展開(kāi)的方法不能對(duì)局部畸變特征參量進(jìn)行定量分析的問(wèn)題。
　　2.建立了波前畸變對(duì)瞄準(zhǔn)和捕獲偏差影

6、響的理論模型，給出了波前畸變對(duì)瞄準(zhǔn)和捕獲性能的影響情況。
　　基于衛(wèi)星光通信中瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤原理，結(jié)合波前畸變對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)分布的影響，定義了畸變瞄準(zhǔn)偏差和畸變捕獲偏差，建立了波前畸變對(duì)瞄準(zhǔn)和捕獲性能影響的理論模型。分別針對(duì)透射式和反射式光學(xué)收天線結(jié)構(gòu)，結(jié)合畸變光束遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸理論，研究了整體和局部波前畸變對(duì)瞄準(zhǔn)和捕獲性能的影響。發(fā)現(xiàn)瞄準(zhǔn)和捕獲偏差隨局部畸變深度呈周期性變化，且變化周期和峰值位置與其它畸變參數(shù)無(wú)關(guān)。
　　3.建立了波前畸變

7、對(duì)天線接收能量影響的理論模型，并給出了波前畸變對(duì)天線接收能量的影響關(guān)系。
　　為了評(píng)價(jià)波前畸變對(duì)天線接收能量的影響，引入了畸變功率衰減因子。分別針對(duì)透射式和反射式光學(xué)發(fā)射天線結(jié)構(gòu)，結(jié)合畸變光束遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸理論，研究了整體和局部波前畸變對(duì)天線接收能量的影響，發(fā)現(xiàn)了天接收能量隨局部畸變深度呈周期性變化，且周期和峰值位置與其它畸變參數(shù)無(wú)關(guān)的規(guī)律。
　　4.建立了衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)存在條件下波前畸變對(duì)通信誤碼率影響的理論模型，分析了波前畸變對(duì)

8、系統(tǒng)通信性能的影響關(guān)系。
　　以O(shè)OK編碼為例，在不考慮其它噪聲的條件下，建立了衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)條件下發(fā)射光束波前畸變對(duì)通信誤碼率影響的理論模型，給出了發(fā)射光場(chǎng)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布時(shí)誤碼率的解析式，對(duì)于光場(chǎng)非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布時(shí)通過(guò)簡(jiǎn)化模型給出了誤碼率的數(shù)值解。分別針對(duì)透射式和反射式光學(xué)發(fā)射天線結(jié)構(gòu)，研究了整體和局部波前畸變對(duì)通信誤碼率的影響，發(fā)現(xiàn)了誤碼率隨局部畸變深度呈周期性變化，且變化周期和峰值位置與其它畸變參數(shù)無(wú)關(guān)的規(guī)律。
　　衛(wèi)星光通