基于單模光纖耦合自差探測(cè)星間光通信系統(tǒng)接收性能研究.pdf

1、衛(wèi)星激光通信技術(shù)被視為是建立高速衛(wèi)星通信鏈路的有效手段，受到了國際上的廣泛重視。美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)已相繼進(jìn)行了空間實(shí)驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了星間和星地高速激光通信。美國計(jì)劃2015年在第三代中繼衛(wèi)星上采用激光通信技術(shù)，準(zhǔn)備將衛(wèi)星光通信推向?qū)嵱没?br>　　DPSK/自差探測(cè)體制具有與相干探測(cè)相媲美的高靈敏度探測(cè)能力、相對(duì)簡單的接收機(jī)結(jié)構(gòu)和以波分復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)更高速率傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，是未來高速衛(wèi)星光通信技術(shù)發(fā)展中極具潛力的選擇之一。
　

2、　將空間激光高效耦合進(jìn)單模光纖內(nèi)，這是基于自差探測(cè)體制的衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在星間光通信中，受衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)、跟蹤系統(tǒng)中跟蹤探測(cè)器噪聲以及轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械噪聲等因素的影響，接收端存在隨機(jī)角抖動(dòng)。受光學(xué)元件加工、裝調(diào)誤差以及空間環(huán)境的影響，光學(xué)系統(tǒng)不可避免的存在形變，進(jìn)而影響接收光束的波前。隨機(jī)角抖動(dòng)和波前畸變將對(duì)單模光纖耦合產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響自差光通信系統(tǒng)的通信性能。此外，由于星間激光通信是在兩個(gè)相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星載體間進(jìn)行，因此，必須

3、考慮衛(wèi)星間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移問題。
　　本文對(duì)基于單模光纖耦合、自差探測(cè)的星間激光通信系統(tǒng)接收性能進(jìn)行了研究，重點(diǎn)對(duì)空間激光到單模光纖耦合這一關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，并針對(duì)衛(wèi)星光通信特有的多普勒頻移問題進(jìn)行了分析。
　　研究了隨機(jī)角抖動(dòng)對(duì)空間光到單模光纖耦合效率的影響。在入射光瞳面上，建立了隨機(jī)角抖動(dòng)對(duì)空間光到單模光纖耦合影響的理論模型?；谠撃Ｐ停玫搅藛文９饫w平均耦合效率的解析表達(dá)式，給出了耦合系統(tǒng)的優(yōu)化條件

4、。分析了隨機(jī)角抖動(dòng)與光纖對(duì)準(zhǔn)誤差的綜合影響。最后，進(jìn)行了隨機(jī)角抖動(dòng)對(duì)單模光纖耦合效率影響的模擬實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了理論分析的正確性。
　　研究了波前畸變對(duì)空間光到單模光纖耦合效率的影響。構(gòu)造了在以單模光纖后向傳輸模場(chǎng)為加權(quán)函數(shù)的孔徑內(nèi)正交的多項(xiàng)式。利用所得正交多項(xiàng)式，研究了整體波前畸變對(duì)空間激光到單模光纖耦合的影響，并評(píng)估了斯特列爾比近似解的精確性。研究了單模光纖耦合效率隨局部波前畸變各參量的變化規(guī)律，對(duì)透射式和反射式光學(xué)天線分別進(jìn)行

5、了討論。
　　研究了隨機(jī)角抖動(dòng)引起的接收信號(hào)衰落特性以及隨機(jī)角抖動(dòng)下星間自差光通信系統(tǒng)的平均誤碼率；分析了整體波前畸變和局部波前畸變對(duì)星間自差光通信系統(tǒng)通信性能的影響，對(duì)透射式和反射式光學(xué)天線的情況分別進(jìn)行了研究。
　　針對(duì)多普勒頻移的影響，提出了魯棒自差接收方法，討論了魯棒自差接收方法的適用條件。當(dāng)魯棒自差接收的適用條件不能滿足時(shí)，必須采用自動(dòng)控制環(huán)路精確控制MZI相位，為進(jìn)一步提高接收機(jī)性能，分析了在整個(gè)載波頻率變化范圍