大氣湍流對星地激光鏈路通信性能影響研究.pdf

1、衛(wèi)星激光通信是衛(wèi)星通信技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，相比于微波通信系統(tǒng)，激光通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)包括：極高的傳輸速率；保密性好；不需要頻率使用許可；體積小，重量輕等。目前，衛(wèi)星激光通信的研究已成為一個(gè)熱門研究領(lǐng)域。美國、歐洲和日本等已經(jīng)進(jìn)入了空間實(shí)驗(yàn)階段，星間及星地激光通信已成功實(shí)現(xiàn)。未來世界的通信體系將是一個(gè)天上衛(wèi)星光網(wǎng)和地面光纖網(wǎng)連接一起的空地激光通信體系。衛(wèi)星激光通信包括星間激光通信和星地激光通信。星地激光鏈路是衛(wèi)星激光通信的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一

2、。由于大氣湍流層是星地激光通信信道的一部分，大氣湍流引起的折射率隨機(jī)起伏將導(dǎo)致接收光場的隨機(jī)變化，嚴(yán)重降低光束的傳輸質(zhì)量，從而影響了星地激光鏈路的通信性能。如果不解決星地激光通信問題，衛(wèi)星光網(wǎng)和地面光纖網(wǎng)之間將形成“瓶頸”，從而限制衛(wèi)星激光通信的發(fā)展。因此本文就大氣湍流對星地激光鏈路通信性能的影響進(jìn)行了較深入的研究。
　　首先對國內(nèi)外星地激光通信的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，闡述了星地激光通信系統(tǒng)的基本組成和原理，分析了大氣湍流對星地激光

3、鏈路通信性能影響的研究現(xiàn)狀。
　　概述了大氣湍流效應(yīng)以及大氣湍流的物理模型和光學(xué)統(tǒng)計(jì)特性?？偨Y(jié)和歸納了星地激光大氣傳輸?shù)幕A(chǔ)理論。
　　分析了星地激光通信鏈路的特征，建立了更切合實(shí)際情況的星地激光通信鏈路的理論模型。在此模型中，考慮了大氣湍流造成的光束擴(kuò)展，對指向偏差損耗因子進(jìn)行了修正，同時(shí)給出了平均接收功率的解析表達(dá)式；在發(fā)射光束為高斯光束且考慮星地激光鏈路動態(tài)特性的條件下，針對上行和下行鏈路，分別推導(dǎo)了接收光強(qiáng)起伏平均閃

4、爍指數(shù)和概率密度函數(shù)的解析表達(dá)式?；谠摾碚撃Ｐ?，對星地激光通信鏈路的誤碼特性進(jìn)行了分析，并比較分析了 OOK和BPPM調(diào)制下的系統(tǒng)誤碼率。對發(fā)射光束束散角這一重要系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化選擇問題進(jìn)行了研究。針對上行鏈路，給出了不同誤碼率要求下，光束束散角與動態(tài)指向偏差均方值最佳比值的表達(dá)式。當(dāng)系統(tǒng)采用最佳比值時(shí)，在地面光通信終端發(fā)射功率相同的條件下，上行通信鏈路冗余最大。針對下行鏈路，給出了不同誤碼率要求下，光束束散角與動態(tài)指向偏差均方值最佳比

5、值的表達(dá)式。當(dāng)系統(tǒng)采用最佳比值時(shí)，在誤碼率要求相同的條件下，星上光通信終端發(fā)射功率需求最小。
　　針對星地激光上行和下行鏈路的不同特征，論述了多光束發(fā)射和大孔徑接收兩種補(bǔ)償方法的有效性。數(shù)值仿真了上行鏈路中發(fā)射光束數(shù)目與接收光強(qiáng)閃爍指數(shù)及通信誤碼率的關(guān)系，以及下行鏈路中接收天線孔徑尺度與接收光強(qiáng)閃爍指數(shù)及通信誤碼率的關(guān)系。
　　針對下行鏈路中光學(xué)地面站采用大孔徑接收天線的實(shí)際情況，推導(dǎo)了接收光強(qiáng)起伏功率譜的解析表達(dá)式。據(jù)此分

6、析了接收天線的孔徑尺度和湍流外尺度對光強(qiáng)起伏功率譜的影響。通過恒星觀測實(shí)驗(yàn)，得到了下行傳輸孔徑接收下的光強(qiáng)起伏功率譜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。
　　進(jìn)行了激光大氣傳輸光強(qiáng)起伏統(tǒng)計(jì)特性的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括兩方面。其一，下行傳輸接收光強(qiáng)起伏統(tǒng)計(jì)特性的實(shí)驗(yàn)研究?；谥袊鴾y繪研究院北京房山人衛(wèi)觀測站的衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)進(jìn)行光路改造，搭建了恒星觀測實(shí)驗(yàn)平臺。通過實(shí)驗(yàn)，對不同傳輸天頂角下的接收光強(qiáng)進(jìn)行了測量，進(jìn)而分析了接收光強(qiáng)起伏的閃爍

7、指數(shù)、概率分布和功率譜。其二，水平激光大氣傳輸光強(qiáng)起伏統(tǒng)計(jì)特性的實(shí)驗(yàn)研究。在哈爾濱市區(qū)內(nèi)建立了3.5km的激光鏈路，進(jìn)行了水平激光大氣傳輸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，對接收光強(qiáng)起伏和大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)進(jìn)行了同步測量，并對多光束發(fā)射和大孔徑接收兩種補(bǔ)償方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?；趯?shí)驗(yàn)測量結(jié)果，分析了接收光場的分布、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、接收光強(qiáng)起伏的閃爍指數(shù)、概率分布和功率譜，并對抗閃爍因子和鏈路衰落冗余進(jìn)行了估算。
　　本論文的工作進(jìn)一步完善了星地激光