星間光通信系統(tǒng)的研究.pdf

1、星間光通信作為新的星間通信技術(shù)途徑，對于在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)間建立大容量，費(fèi)用效能比相對較低的通信系統(tǒng)具有重要的意義。與傳統(tǒng)的星間射頻系統(tǒng)相比，星間光通信系統(tǒng)在天線尺寸，光發(fā)送機(jī)和接收機(jī)設(shè)備的重量，容量和傳輸速率等方面具有優(yōu)勢。 本文針對工作波長為1550 nm的長波長星間光通信系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究并對系統(tǒng)進(jìn)行了原理性的設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤系統(tǒng)(PAT)的設(shè)計(jì)、光發(fā)送／接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、對光信號放大特性的研究以及機(jī)械控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。 在

2、第一章中，介紹了星間光通信系統(tǒng)研究的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀。通過對典型的星間光通信系統(tǒng)和射頻系統(tǒng)的比較，分析了星間光通信系統(tǒng)的優(yōu)越性。同時(shí)，對星間光通信系統(tǒng)的構(gòu)成作了原理性的說明，并針對典型的近地軌道星間光通信系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的功率預(yù)算。在第二章中，完成了PAT系統(tǒng)及其光學(xué)平臺的設(shè)計(jì)工作。在粗瞄準(zhǔn)和細(xì)瞄準(zhǔn)跟蹤子系統(tǒng)中分別采用了正交雙軸的萬向節(jié)和壓電陶瓷調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)作為驅(qū)動結(jié)構(gòu)，并采用大視場、寬范圍和窄視場、高速響應(yīng)和高靈敏度的CCD陣列分別作為相應(yīng)的

3、捕獲和跟蹤傳感器件。設(shè)計(jì)中首次提出了利用二元光學(xué)透鏡組對信標(biāo)光束進(jìn)行整形、擴(kuò)束、準(zhǔn)直和精細(xì)整形的思路。并根據(jù)實(shí)際捕獲和跟蹤過程的要求，通過數(shù)值計(jì)算完成了相應(yīng)的二元光學(xué)器件的設(shè)計(jì)。 在第三章中，首次提出了一個通過空間的相干檢測方式并利用電光光束偏轉(zhuǎn)器來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)衛(wèi)星跟蹤的星間光通信系統(tǒng)跟蹤方案。針對星間光通信跟蹤系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，在對兩類非中心對稱各向異性晶體的電光效應(yīng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定了電光光束偏轉(zhuǎn)器的材料和工作原理，同時(shí)分析了入射光

4、束偏角和光束可控偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系。通過對系統(tǒng)跟蹤精度和平均信噪比的分析，完成了對電光光束偏轉(zhuǎn)器外加電場的優(yōu)化，使系統(tǒng)跟蹤精度在理論上達(dá)到了0.5μrad以下，優(yōu)于原始方案跟蹤精度并簡化了系統(tǒng)的光學(xué)平臺設(shè)計(jì)。 在第四章中，完成了光發(fā)送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括通信光源和調(diào)制器件的選擇，光信號放大器以及相應(yīng)光學(xué)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。同時(shí)，根據(jù)星間光通信系統(tǒng)對光學(xué)天線性能的要求完成了鏡面反射型光學(xué)天線的設(shè)計(jì)。理論分析表明，該型光學(xué)天線的設(shè)計(jì)完全符合系統(tǒng)的要求

5、。在此基礎(chǔ)上建立了PAT系統(tǒng)對準(zhǔn)誤差對系統(tǒng)誤碼率影響的分析模型，利用數(shù)值方法對光學(xué)天線口徑作了優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了降低PAT對準(zhǔn)誤差對系統(tǒng)誤碼率的影響在理論上研究了天線對準(zhǔn)誤差自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)姆椒?。在第五章中，建立了描述摻鉺光纖放大器光信號放大機(jī)制的理論分析模型，利用數(shù)值模擬的方法，得到了大信號、大泵浦功率條件下光信號放大的特性并分析了放大的自發(fā)發(fā)射噪聲對摻鉺光纖放大系統(tǒng)信噪比增益的影響。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了適用于星間光通信的增益自動控制、泵浦功率遞

6、增的級聯(lián)摻鉺光放大器：針對天線對準(zhǔn)誤差引起的系統(tǒng)誤碼率提高和對系統(tǒng)電子帶寬限制的特點(diǎn)，提出了基于光前置放大器和PIN光電二極管結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)光接收機(jī)工作方案，通過優(yōu)化光前置放大器增益和前置放大電路電子帶寬來補(bǔ)償光學(xué)天線對準(zhǔn)誤差，并通過數(shù)值計(jì)算論證了該方案的可行性。在第六章中，根據(jù)星間光通信系統(tǒng)所受的環(huán)境限制因素，完成了光學(xué)天線子系統(tǒng)和萬向節(jié)子系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的原理性設(shè)計(jì)。根據(jù)彈性阻尼連接對系統(tǒng)高頻振動影響的理論模型，完成了光學(xué)大線及萬向節(jié)系統(tǒng)