空间激光通信中的若干关键技术研究

论文摘要

空间激光通信是极具前景的通信方式。它包括地面大气激光通信、星地激光通信和星间激光通信。目前的研究工作主要集中在理论分析,方法论证,基本元器件上,离上星试验阶段还有段距离。因此本文对空间激光通信关键技术的探索和研究是十分必要的。在简要介绍空间激光通信的概念、国内外发展现状和趋势、关键技术的基础上,对关键技术中的空间激光信道高性能编码技术;高功率光源、精密的光束准直技术;精密、可靠、高增益的收、发天线以及高灵敏度、抗干扰的光接收技术进行了比较深入的研究。在分析了相干光通信系统的结构、原理和应用场合基础上,提出了基于Turbo码的星间相干光通信系统。针对星间激光通信中的噪声进行了分析,通过仿真得出了特性曲线。借助系统BER的上限,比较了基于Turbo码的BPSK调制的相干激光通信系统与传统的PPM调制的直接检测激光通信系统和未编码激光通信系统性能,得出Turbo码技术在相干激光通信系统中提高了系统的抗干扰能力,有效的节省了发射光功率。提出一种新的精密的光束准直技术,即采用聚合物光纤光锥进行准直。这是本文研究的重点之一。在分析了聚合物光纤光锥准直光束的原理后,提出一种前端带光纤平凸透镜的聚合物3级光纤光锥的实用准直系统。结合光束传播特性的分析,设计了聚合物光纤光锥的系统参数,并利用仿真计算得出准直后的角度。详细讨论了光纤光锥在准直中的各种性能情况。提出可控的光纤光锥即利用电压控制压电陶瓷环使光锥直径变化,来进行角度的微调。聚合物光纤光锥不仅具有良好的准直能力,准直后的光束质量好,而且光锥前端带有的光纤平凸透镜提高了激光器到光纤光锥的耦合效率。这种新的准直方法还需要试验的进一步研究。在光外差频率响应测量原理的基础上提出了一种使用对偶式相变光纤光栅建立光电探测器频率响应特性测量系统。在阐述了光纤相移光栅原理基础上,讨论了测量条件并给出15GHz带宽的光电探测器频率响应测量结果并且也可测得在光源与光电探测器间插入的光学器件频率响应。此种方法在保证测量精度的情况下,具有实现容易、器件低廉等特点。为了获得高性能的接收天线,在分析激光通信用光学天线重要参数的基础上,研究了卫星光相干通信中光学天线阵的性能。提出了光纤分布式串行天线阵,并对此进行了理论分析。这种天线阵构建有较大优势,使等效口径扩大,降低了对星间激光通信中指向角度的要求。探讨了采用棱镜与光纤组合的方式构成分布式光学天线阵子天线的理论,分析了性能指标为光纤分布式串行天线阵的实验打下了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 空间激光通信概述
• 1.2 国内外研究现状和趋势
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 激光通信的关键技术
• 1.4 论文的背景、来源及内容安排
• 1.4.1 论文的背景和来源
• 1.4.2 论文的内容安排
• 第2章 基于Turbo码的相干光通信系统
• 2.1 概述
• 2.2 无线光通信系统分析
• 2.2.1 无线光相干系统
• 2.2.2 背景辐射
• 2.2.3 无线光通信Turbo码
• 2.3 仿真结果及分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 激光通信用光源及光束准直
• 3.1 概述
• 3.2 光源激光器
• 3.2.1 激光通信用半导体光源
• 3.2.2 激光通信用光纤激光器光源
• 3.3 激光器光电探测器的频率特性测试
• 3.3.1 光外差探测原理
• 3.3.2 光纤相移光栅原理及外差应用
• 3.3.3 测量装置分析
• 3.3.4 数据和分析
• 3.4 激光束的准直系统分析
• 3.4.1 研究工作的实用价值与理论意义
• 3.4.2 国内外半导体激光器发散小角度准直动态
• 3.4.3 光纤光锥光束准直的原理与分析
• 3.4.4 光纤光锥准直仿真与数值分析
• 3.4.5 可控光纤光锥
• 3.5 本章小结
• 第4章 激光通信光学天线系统
• 4.1 概述
• 4.1.1 国内外光学天线的研究动态
• 4.1.2 光学天线的分类结构
• 4.1.3 光学天线的设计关键参数
• 4.1.4 光学系统中的自适应技术
• 4.2 光学接收天线阵
• 4.2.1 光学接收天线阵拓扑结构
• 4.2.2 光学接收天线阵的性能分析
• 4.2.3 光纤分布式串行接收天线阵性能分析
• 4.2.4 激光通信天线阵指向性分析
• 4.3 激光天线阵等效口径和误码率与瞄准信息精度关系
• 4.4 棱镜与光纤组合接收光学天线阵
• 4.4.1 棱镜与光纤组合接收光学天线的基本原理
• 4.4.2 激光信号通过输入耦合器—棱镜导入光纤构建接收天线
• 4.5 本章小结
• 第5章 激光通信信号接收技术
• 5.1 概述
• 5.2 大气激光通信信道特性
• 5.3 激光通信的分集技术
• 5.3.1 激光通信发射分集
• 5.3.2 激光通信分集接收
• 5.3.3 双码分编址网络化分集接收
• 5.4 本章小结
• 结论
• 1 本论文内容总结
• 2 未来的工作和展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢