星地激光通信中光束傳輸仿真和鏈路特性關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、激光通信相對(duì)于微波通信而言，具有帶寬高、容量大、能耗低、安全性好的優(yōu)點(diǎn)，而且激光的通信端機(jī)有更小的體積和更輕的質(zhì)量，因此以激光作為信息載體的通信方式是星地通信的重要發(fā)展方向。美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)在星地激光通信領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行過(guò)多次實(shí)際星地鏈路實(shí)驗(yàn)，并且正在積極向?qū)嵱没?、商業(yè)化發(fā)展，建立全球覆蓋的衛(wèi)星激光通信網(wǎng)絡(luò)是其發(fā)展趨勢(shì)。
　　 作為衛(wèi)星激光通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵組成部分的星地激光鏈路受大氣湍流和大氣折射率的影響，且鏈路天頂角存在上

2、限。大氣湍流造成的光束漂移、擴(kuò)展、光斑破碎等現(xiàn)象會(huì)使光信號(hào)的強(qiáng)度發(fā)生起伏，同時(shí)給通信兩端的捕獲、對(duì)準(zhǔn)和跟蹤帶來(lái)困難，要對(duì)通信性能進(jìn)行分析就必須掌握光束在湍流中的傳輸特性。大氣折射率隨海拔高度的變化，導(dǎo)致星地通信光束的傳輸路徑呈曲線(xiàn)，使通信兩端的對(duì)準(zhǔn)出現(xiàn)偏差，對(duì)折射率造成的偏差進(jìn)行研究，可以為通信端機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。星地激光通信鏈路天頂角的上限制約了衛(wèi)星的覆蓋能力，最大天頂角由大氣狀況和通信端機(jī)性能共同決定，是影響星座性能和成本的重要因素

3、，在星座設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮。
　　 本文對(duì)大氣湍流影響下光束傳輸特性的仿真方法進(jìn)行了總結(jié)和改進(jìn)，并將仿真結(jié)果與實(shí)際的光傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究；而在星地鏈路的關(guān)鍵技術(shù)方面，研究了大氣折射率對(duì)星地光鏈路的影響，并分析了星地激光通信下行鏈路最大天頂角的特性。主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 （1）總結(jié)了基于標(biāo)準(zhǔn)拋物型方程的光傳播多層相位屏法，并闡述對(duì)湍流和光場(chǎng)進(jìn)行離散化時(shí)網(wǎng)格參數(shù)的選取原則；通過(guò)對(duì)實(shí)際鏈路進(jìn)行仿真分析，指出已有

4、的方法在光束發(fā)散角超過(guò)100μrad 時(shí)無(wú)法保證可靠性；針對(duì)光束發(fā)散角較大的情況，研究了最大空間采樣率的特性，在此基礎(chǔ)上提出多層相位屏法的改進(jìn)方案，并以光束發(fā)散角為100urad和1.35mrad的水平鏈路為例進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，接收端仿真光場(chǎng)的特性與理論預(yù)期值、實(shí)驗(yàn)值相符，證明了新方法的可靠性和實(shí)用性。
　　 （2）在光束發(fā)散角較大的情況下，隨著鏈路長(zhǎng)度的增加，存放光場(chǎng)數(shù)據(jù)的矩陣規(guī)模將越來(lái)越大，甚至?xí)?dǎo)致計(jì)算機(jī)內(nèi)存不足。本

5、文對(duì)仿真精度分別與網(wǎng)格參數(shù)、鏈路條件的關(guān)系進(jìn)行研究，提出一種最優(yōu)網(wǎng)格參數(shù)的求解方法，并擬合出最優(yōu)網(wǎng)格參數(shù)關(guān)于鏈路長(zhǎng)度和光束發(fā)散角的經(jīng)驗(yàn)公式，在仿真過(guò)程中使用該方法確定網(wǎng)格參數(shù)，可以在保證可靠性的前提下減少內(nèi)存需求量。
　　 （3）從星地激光通信的捕獲、對(duì)準(zhǔn)、跟蹤(Acquisition，Pointing，Tracking,APT)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求出發(fā)，研究了大氣折射率對(duì)APT和超前瞄準(zhǔn)的影響。以折射率關(guān)于波長(zhǎng)、大氣溫度、大氣壓力的

6、公式為基礎(chǔ)，結(jié)合大氣溫度和氣壓的高度輪廓線(xiàn)，推導(dǎo)出折射率關(guān)于海拔高度和波長(zhǎng)的模型，并通過(guò)分層近似推導(dǎo)了大氣偏折的求解方法。定義了捕獲過(guò)程、通信過(guò)程以及超前瞄準(zhǔn)的大氣偏折角偏差，并通過(guò)仿真分析給出了各種角偏差與鏈路天頂角的關(guān)系。
　　 （4）從星地激光通信系統(tǒng)星座設(shè)計(jì)的需求出發(fā)，針對(duì)星地激光通信下行鏈路，推導(dǎo)出在大氣湍流影響下的最大天頂角模型。以采用OOK 調(diào)制、APD 探測(cè)器的鏈路為例，基于Gamma-Gamma 光強(qiáng)起伏概率密