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309

作者：

潘锋

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摘要：

卫星激光通信是卫星通信技术的一个重要发展方向,相比于微波通信系统,激光通信系统的主要优点包括:极高的传输速率;保密性好;不需要频率使用许可;体积小,重量轻等.目前,卫星激光通信的研究已成为一个热门研究领域.美国,欧洲和日本等已经进入了空间实验阶段,星间及星地激光通信已成功实现.未来世界的通信体系将是一个天上卫星光网和地面光纤网连接一起的空地激光通信体系.卫星激光通信包括星间激光通信和星地激光通信.星地激光链路是卫星激光通信的关键环节之一.由于大气湍流层是星地激光通信信道的一部分,大气湍流引起的折射率随机起伏将导致接收光场的随机变化,严重降低光束的传输质量,从而影响了星地激光链路的通信性能.如果不解决星地激光通信问题,卫星光网和地面光纤网之间将形成"瓶颈",从而限制卫星激光通信的发展.因此本文就大气湍流对星地激光链路通信性能的影响进行了较深入的研究. 首先对国内外星地激光通信的研究现状进行了综述,阐述了星地激光通信系统的基本组成和原理,分析了大气湍流对星地激光链路通信性能影响的研究现状. 概述了大气湍流效应以及大气湍流的物理模型和光学统计特性.总结和归纳了星地激光大气传输的基础理论. 分析了星地激光通信链路的特征,建立了更切合实际情况的星地激光通信链路的理论模型.在此模型中,考虑了大气湍流造成的光束扩展,对指向偏差损耗因子进行了修正,同时给出了平均接收功率的解析表达式;在发射光束为高斯光束且考虑星地激光链路动态特性的条件下,针对上行和下行链路,分别推导了接收光强起伏平均闪烁指数和概率密度函数的解析表达式.基于该理论模型,对星地激光通信链路的误码特性进行了分析,并比较分析了 OOK和BPPM调制下的系统误码率.对发射光束束散角这一重要系统参数的优化选择问题进行了研究.针对上行链路,给出了不同误码率要求下,光束束散角与动态指向偏差均方值最佳比值的表达式.当系统采用最佳比值时,在地面光通信终端发射功率相同的条件下,上行通信链路冗余最大.针对下行链路,给出了不同误码率要求下,光束束散角与动态指向偏差均方值最佳比值的表达式.当系统采用最佳比值时,在误码率要求相同的条件下,星上光通信终端发射功率需求最小. 针对星地激光上行和下行链路的不同特征,论述了多光束发射和大孔径接收两种补偿方法的有效性.数值仿真了上行链路中发射光束数目与接收光强闪烁指数及通信误码率的关系,以及下行链路中接收天线孔径尺度与接收光强闪烁指数及通信误码率的关系. 针对下行链路中光学地面站采用大孔径接收天线的实际情况,推导了接收光强起伏功率谱的解析表达式.据此分析了接收天线的孔径尺度和湍流外尺度对光强起伏功率谱的影响.通过恒星观测实验,得到了下行传输孔径接收下的光强起伏功率谱,实验结果验证了理论分析结果. 进行了激光大气传输光强起伏统计特性的实验研究.实验内容包括两方面.其一,下行传输接收光强起伏统计特性的实验研究.基于中国测绘研究院北京房山人卫观测站的卫星激光测距系统进行光路改造,搭建了恒星观测实验平台.通过实验,对不同传输天顶角下的接收光强进行了测量,进而分析了接收光强起伏的闪烁指数,概率分布和功率谱.其二,水平激光大气传输光强起伏统计特性的实验研究.在哈尔滨市区内建立了3.5km的激光链路,进行了水平激光大气传输实验.实验中,对接收光强起伏和大气折射率结构常数进行了同步测量,并对多光束发射和大孔径接收两种补偿方法进行实验验证.基于实验测量结果,分析了接收光场的分布,大气折射率结构常数,接收光强起伏的闪烁指数,概率分布和功率谱,并对抗闪烁因子和链路衰落冗余进行了估算. 本论文的工作进一步完善了星地激光大气传输的基础理论,为星地激光通信链路分析和冗余预算提供了理论模型,并为星地激光通信终端的研制与设计提供了一定的实验基础.

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关键词：

大气湍流 星地激光链路 通信性能

学位级别：

博士

学位年度：

2007

DOI：

10.7666/d.D274727

被引量：

1