相干激光空間數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及其多階波前校正研究.pdf

1、空間飛行器有效載荷的發(fā)展，特別是信息獲取類載荷，包括光學(xué)遙感、微波遙感和電子偵察載荷性能的不斷提升，對(duì)寬帶、高速的空間數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)提出了越來越高的要求；同時(shí)，星間鏈路捕獲對(duì)準(zhǔn)跟蹤技術(shù)日益成熟，激光調(diào)制解調(diào)手段日益豐富，未來的空間高速數(shù)據(jù)傳輸將使用光波作為重要的數(shù)傳載波。強(qiáng)度調(diào)制廠直接探測(cè)的星載激光數(shù)傳系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，而相位調(diào)制/零差探測(cè)的相干激光數(shù)傳系統(tǒng)，將以高靈敏度、大容量、遠(yuǎn)距離、小口徑的優(yōu)勢(shì)，成為空間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)南冗M(jìn)手段。星載的相

2、干激光數(shù)據(jù)傳輸是一項(xiàng)全新的課題，系統(tǒng)層面的鏈路分配與終端總體設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)層面的信號(hào)光與本振光相干效率優(yōu)化，是空間相干激光數(shù)傳系統(tǒng)研究的核心問題。
　　 本文對(duì)應(yīng)用于星間、星地高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路的相干激光數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，主要針對(duì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、子系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)分解、光學(xué)相干效率、信號(hào)光多階波前校正的理論原理與實(shí)現(xiàn)方法等進(jìn)行了綜合性的深入研究，針對(duì)傳統(tǒng)的空間光傳輸鏈路方程進(jìn)行了補(bǔ)充和擴(kuò)展，能夠適于相干與非相干體制、星

3、間與星地鏈路，可以應(yīng)用于同時(shí)具有精密光學(xué)跟蹤、光學(xué)鎖相環(huán)路、自適應(yīng)接收光學(xué)系統(tǒng)的相干激光數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。結(jié)合目前國內(nèi)現(xiàn)有的激光終端，成功完成了相干激光數(shù)據(jù)傳輸所必需的一階、二階和高階波前失配的校正實(shí)驗(yàn)，提出并驗(yàn)證了提高相干效率的方法，為相干激光數(shù)傳系統(tǒng)的工程研制提供了理論基礎(chǔ)。
　　 本研究以星間、星地的高速率相干激光傳輸為主要的研究對(duì)象，提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，完成了關(guān)鍵技術(shù)分解。相干激光數(shù)傳終端一般具有捕獲對(duì)準(zhǔn)與跟蹤子系統(tǒng)和調(diào)制解

4、調(diào)子系統(tǒng)，根據(jù)經(jīng)典的空間數(shù)據(jù)傳輸功率鏈路方程，提出了星間星地相干激光數(shù)傳系統(tǒng)方案的初步設(shè)想、總體思路和主要設(shè)計(jì)參數(shù)。光學(xué)相干效率是實(shí)現(xiàn)相干激光數(shù)傳接收機(jī)高靈敏度的決定性前提條件。從光場(chǎng)匹配理論出發(fā)，針對(duì)空間激光鏈路存在動(dòng)態(tài)跟瞄誤差的特點(diǎn)，對(duì)波前匹配、光學(xué)相干效率和多階波前失配校正問題作了創(chuàng)新性和探索性研究。著重研究了信號(hào)光與本振光的低階波前失配問題，它是光BPSK調(diào)制/零差解調(diào)的星間激光數(shù)傳系統(tǒng)的相干效率最大化的核心問題。波前失配影響相

5、干效率、進(jìn)而影響以誤碼率為表征的鏈路傳輸性。對(duì)影響相干效率的一般性因素進(jìn)行扼要分析后，提出了以Zemike多項(xiàng)式來描述相干激光通信系統(tǒng)波前失配的思路，并以Zemike多項(xiàng)式的各階模式定義了相干激光數(shù)傳系統(tǒng)中的低階（零階、一階）和高階波前失配。光學(xué)相干效率是直接影響空間激光數(shù)傳鏈路的性能，必須結(jié)合相干效率因子，將遠(yuǎn)距離空間激光通信的經(jīng)典鏈路方程進(jìn)行修定和推廣。將鎖相環(huán)路隨機(jī)誤差、天線視軸對(duì)準(zhǔn)隨機(jī)誤差與零階、一階波前失配相干效率引入到經(jīng)典鏈

6、路方程，并從理想的誤碼性能公式出發(fā)，對(duì)零階和一階的波前失配與相干效率、鏈路誤碼率的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。通過仿真，給出存在低階波前失配時(shí)相干激光數(shù)傳系統(tǒng)優(yōu)化的要點(diǎn)。根據(jù)修定后的衛(wèi)星相干激光數(shù)據(jù)傳輸鏈路方程，在星間、星地相干激光數(shù)傳系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，經(jīng)典的優(yōu)化思路應(yīng)當(dāng)有所調(diào)整，主要的指標(biāo)參數(shù)設(shè)計(jì)中，需要將相干效率隨系統(tǒng)參數(shù)的變化作為重要的優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù)。
　　 本研究完成了系統(tǒng)主要硬件模塊的研制，建立了基于快速傾斜鏡的低階波前校正實(shí)驗(yàn)系