星地激光通信中光束傳輸仿真和鏈路特性關鍵技術研究.pdf

1、激光通信相對于微波通信而言，具有帶寬高、容量大、能耗低、安全性好的優(yōu)點，而且激光的通信端機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、日本、歐洲等國家和地區(qū)在星地激光通信領域已經(jīng)進行過多次實際星地鏈路實驗，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)絡是其發(fā)展趨勢。
　　 作為衛(wèi)星激光通信網(wǎng)絡關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、擴展、光斑破碎等現(xiàn)象會使光信號的強度發(fā)生起伏，同時給通信兩端的捕獲、對準和跟蹤帶來困難，要對通信性能進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，導致星地通信光束的傳輸路徑呈曲線，使通信兩端的對準出現(xiàn)偏差，對折射率造成的偏差進行研究，可以為通信端機的設計提供參考。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、，在星座設計中應予以考慮。
　　 本文對大氣湍流影響下光束傳輸特性的仿真方法進行了總結(jié)和改進，并將仿真結(jié)果與實際的光傳輸實驗結(jié)果進行對比研究；而在星地鏈路的關鍵技術方面，研究了大氣折射率對星地光鏈路的影響，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)新點如下：
　　 （1）總結(jié)了基于標準拋物型方程的光傳播多層相位屏法，并闡述對湍流和光場進行離散化時網(wǎng)格參數(shù)的選取原則；通過對實際鏈路進行仿真分析，指出已有

4、的方法在光束發(fā)散角超過100μrad 時無法保證可靠性；針對光束發(fā)散角較大的情況，研究了最大空間采樣率的特性，在此基礎上提出多層相位屏法的改進方案，并以光束發(fā)散角為100urad和1.35mrad的水平鏈路為例進行驗證，驗證結(jié)果表明，接收端仿真光場的特性與理論預期值、實驗值相符，證明了新方法的可靠性和實用性。
　　 （2）在光束發(fā)散角較大的情況下，隨著鏈路長度的增加，存放光場數(shù)據(jù)的矩陣規(guī)模將越來越大，甚至會導致計算機內(nèi)存不足。本

5、文對仿真精度分別與網(wǎng)格參數(shù)、鏈路條件的關系進行研究，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)關于鏈路長度和光束發(fā)散角的經(jīng)驗公式，在仿真過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、對準、跟蹤(Acquisition，Pointing，Tracking,APT)系統(tǒng)的設計需求出發(fā)，研究了大氣折射率對APT和超前瞄準的影響。以折射率關于波長、大氣溫度、大氣壓力的

6、公式為基礎，結(jié)合大氣溫度和氣壓的高度輪廓線，推導出折射率關于海拔高度和波長的模型，并通過分層近似推導了大氣偏折的求解方法。定義了捕獲過程、通信過程以及超前瞄準的大氣偏折角偏差，并通過仿真分析給出了各種角偏差與鏈路天頂角的關系。
　　 （4）從星地激光通信系統(tǒng)星座設計的需求出發(fā)，針對星地激光通信下行鏈路，推導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 探測器的鏈路為例，基于Gamma-Gamma 光強起伏概率密