波前畸变对星间激光通信链路性能的影响研究

论文摘要

卫星激光通信技术是卫星通信领域新兴的高新技术,是建立卫星高速通信系统的有效手段。目前,美国、欧洲、日本等发达国家和地区开展了卫星激光通信技术的研究工作。美国历时50年才突破了卫星激光通信的关键技术,使其进入应用,欧空局及日本尚未公布实际应用计划。为了建立可远达数万公里的卫星激光链路,激光通信终端必须具有高精度的光束控制能力,对光束的快速捕获能力,高灵敏度探测能力及高精度稳定跟踪及通信能力,为确保以上工作能力,对光束的质量要求很高,为此,对光场分布和光束质量的研究是十分必要的。在远场条件下,理想光束的光场可认为是平面波或高斯波。但是,受光学元件表面加工误差、光学系统装调误差以及空间环境的影响,由光学天线发射的激光光束通常都不是理想光束,而是具有一定波前误差的畸变光束。波前畸变将对光信号的传输造成影响,使接收端的光场发生变化,进而对光束的瞄准、捕获、跟踪造成影响,使卫星激光通信链路的稳定性下降,甚至导致链路的中断,因此,波前畸变对卫星激光通信性能的影响问题是卫星光通信领域急需解决的基础科学问题。主要包括以下几方面内容:针对光学系统中光束波前出现的局部畸变情况,建立局部波前畸变理论模型,解决利用Zernike多项式展开方法不能对局部畸变半径、深度和位置等特征参量进行定量分析的问题;建立波前畸变对瞄准和捕获偏差影响的理论模型,解决分析整体和局部波前畸变对瞄准和捕获性能影响的问题;建立波前畸变对天线接收能量影响的理论模型,解决分析整体和局部波前畸变对天线接收能量影响的问题;建立卫星平台振动存在条件下波前畸变对通信误码率影响的理论模型,解决分析整体和局部波前畸变对系统通信性能影响的问题。为减小波前畸变的影响,传统的方法是尽量提高光学系统的加工和装调精度,而此方法必然增加卫星光通信系统的研制难度。通过分析波前畸变对卫星激光通信性能的影响,可得到光学系统各级像差、局部畸变特性与系统瞄准、捕获、跟踪、通信性能的关系,为优化光学系统、提出波前畸变有效补偿方法打下基础。本文针对波前畸变对卫星激光链路性能的影响进行了深入系统的研究。主要完成了以下四个方面工作:1.针对光学系统中出现的局部波前畸变情况,建立了局部波前畸变理论模型分别针对透镜和反射镜中单个和多个局部畸变建立了局部畸变模型——截断型椭圆高斯模型。其中定义了畸变半径、畸变深度和畸变位置等局部畸变特征参数,解决了利用Zernike多项式展开的方法不能对局部畸变特征参量进行定量分析的问题。2.建立了波前畸变对瞄准和捕获偏差影响的理论模型,给出了波前畸变对瞄准和捕获性能的影响情况。基于卫星光通信中瞄准捕获跟踪原理,结合波前畸变对远场分布的影响,定义了畸变瞄准偏差和畸变捕获偏差,建立了波前畸变对瞄准和捕获性能影响的理论模型。分别针对透射式和反射式光学收天线结构,结合畸变光束远场传输理论,研究了整体和局部波前畸变对瞄准和捕获性能的影响。发现瞄准和捕获偏差随局部畸变深度呈周期性变化,且变化周期和峰值位置与其它畸变参数无关。3.建立了波前畸变对天线接收能量影响的理论模型,并给出了波前畸变对天线接收能量的影响关系。为了评价波前畸变对天线接收能量的影响,引入了畸变功率衰减因子。分别针对透射式和反射式光学发射天线结构,结合畸变光束远场传输理论,研究了整体和局部波前畸变对天线接收能量的影响,发现了天接收能量随局部畸变深度呈周期性变化,且周期和峰值位置与其它畸变参数无关的规律。4.建立了卫星平台振动存在条件下波前畸变对通信误码率影响的理论模型,分析了波前畸变对系统通信性能的影响关系。以OOK编码为例,在不考虑其它噪声的条件下,建立了卫星平台振动条件下发射光束波前畸变对通信误码率影响的理论模型,给出了发射光场旋转对称分布时误码率的解析式,对于光场非旋转对称分布时通过简化模型给出了误码率的数值解。分别针对透射式和反射式光学发射天线结构,研究了整体和局部波前畸变对通信误码率的影响,发现了误码率随局部畸变深度呈周期性变化,且变化周期和峰值位置与其它畸变参数无关的规律。卫星光通信技术正处于不断的变革与快速发展之中,而技术的发展需要有新的基础理论。该论文的研究工作解决了卫星光通信领域急需解决的基础科学问题——畸变光束的传输以及波前畸变对卫星激光链路性能影响的问题。此研究工作为卫星光通信系统瞄准、捕获、跟踪、通信等关键技术的发展提供了重要理论依据,也为系统的优化设计奠定了基础。因此,本论文的研究成果对卫星光通信技术的发展具有指导意义,将推动卫星光通信技术的快速发展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 卫星激光通信链路和终端发展概况
• 1.2.1 美国研究概况
• 1.2.2 欧洲研究概况
• 1.2.3 日本研究概况
• 1.2.4 国外其它国家
• 1.2.5 国内卫星光通信发展概况
• 1.3 卫星光通信中畸变光束研究现状与分析
• 1.4 本文研究的主要内容
• 1.5 各章节安排
• 第2章 波前畸变对瞄准和捕获性能的影响
• 2.1 引言
• 2.2 畸变瞄准偏差
• 2.3 畸变捕获偏差
• 2.4 不同温度下反射式光学天线主次镜形变引起的波前畸变
• 2.4.1 主次镜本身形变对波前误差的影响
• 2.4.2 主次镜之间距离的变化对波前误差的影响
• 2.5 初级像差对瞄准和捕获性能的影响
• 2.5.1 反射式光学天线中初级像差对瞄准和捕获偏差的影响
• 2.5.2 透射式光学天线中初级像差对瞄准和捕获性能的影响
• 2.6 局部波前畸变对瞄准和捕获性能的影响
• 2.6.1 单个局部畸变模型
• 2.6.2 数值仿真
• 2.7 本章小结
• 第3章 波前畸变对天线接收功率的影响
• 3.1 引言
• 3.2 波前畸变存在条件下的天线接收功率
• 3.3 初级像差对接收功率的影响
• 3.3.1 反射式发射天线中单个局部畸变对接收功率的影响
• 3.3.2 透射式发射天线中单个局部畸变对接收功率的影响
• 3.4 局部波前畸变对接收功率的影响
• 3.4.1 反射式光学发射天线中单个局部畸变对接收功率的影响
• 3.4.2 透射式光学发射天线中单个局部畸变对接收功率的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 平台振动条件下波前畸变对星间激光通信性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 波前畸变存在条件下的通信误码率
• 4.3 初级像差对通信性能的影响
• 4.3.1 反射式光学发射天线中单个局部畸变对通信误码率的影响
• 4.3.2 透射式光学发射天线中单个局部畸变对通信误码率的影响
• 4.4 局部波前畸变对通信性能的影响
• 4.4.1 反射式光学发射天线单个局部畸变对误码率的影响
• 4.4.2 透射式光学发射天线中单个局部畸变对误码率的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 多个局部波前畸变对激光链路性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 多个局部畸变模型
• 5.3 数值仿真
• 5.3.1 多个局部畸变对瞄准和捕获性能的影响
• 5.3.2 多个局部畸变对接收功率的影响
• 5.3.3 多个局部畸变对通信误码率的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 波前畸变特性实验与仿真研究
• 6.1 引言
• 6.2 温变引起的主次镜系统形变产生的波前畸变实验研究
• 6.2.1 主次镜系统形变引起的光束波前误差实验测试装置
• 6.2.2 实验结果与分析
• 6.3 基于实验结果的仿真研究
• 6.4 波前畸变对近场和远场光强分布影响的仿真研究
• 6.4.1 波前畸变对光束近场光强的影响
• 6.4.2 波前畸变对光束远场光强的影响
• 6.5 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读学位期间申请国家发明专利
• 致谢
• 个人简历