波前畸變對星間激光通信鏈路性能的影響研究.pdf

1、衛(wèi)星激光通信技術是衛(wèi)星通信領域新興的高新技術，是建立衛(wèi)星高速通信系統(tǒng)的有效手段。目前，美國、歐洲、日本等發(fā)達國家和地區(qū)開展了衛(wèi)星激光通信技術的研究工作。美國歷時50年才突破了衛(wèi)星激光通信的關鍵技術，使其進入應用，歐空局及日本尚未公布實際應用計劃。
　　為了建立可遠達數(shù)萬公里的衛(wèi)星激光鏈路，激光通信終端必須具有高精度的光束控制能力，對光束的快速捕獲能力，高靈敏度探測能力及高精度穩(wěn)定跟蹤及通信能力，為確保以上工作能力，對光束的質(zhì)量要求

2、很高，為此，對光場分布和光束質(zhì)量的研究是十分必要的。
　　在遠場條件下，理想光束的光場可認為是平面波或高斯波。但是，受光學元件表面加工誤差、光學系統(tǒng)裝調(diào)誤差以及空間環(huán)境的影響，由光學天線發(fā)射的激光光束通常都不是理想光束，而是具有一定波前誤差的畸變光束。波前畸變將對光信號的傳輸造成影響，使接收端的光場發(fā)生變化，進而對光束的瞄準、捕獲、跟蹤造成影響，使衛(wèi)星激光通信鏈路的穩(wěn)定性下降，甚至導致鏈路的中斷，因此，波前畸變對衛(wèi)星激光通信性能的

3、影響問題是衛(wèi)星光通信領域急需解決的基礎科學問題。主要包括以下幾方面內(nèi)容：
　　針對光學系統(tǒng)中光束波前出現(xiàn)的局部畸變情況，建立局部波前畸變理論模型，解決利用Zernike多項式展開方法不能對局部畸變半徑、深度和位置等特征參量進行定量分析的問題；
　　建立波前畸變對瞄準和捕獲偏差影響的理論模型，解決分析整體和局部波前畸變對瞄準和捕獲性能影響的問題；
　　建立波前畸變對天線接收能量影響的理論模型，解決分析整體和局部波前畸變對

4、天線接收能量影響的問題；
　　建立衛(wèi)星平臺振動存在條件下波前畸變對通信誤碼率影響的理論模型，解決分析整體和局部波前畸變對系統(tǒng)通信性能影響的問題。
　　為減小波前畸變的影響，傳統(tǒng)的方法是盡量提高光學系統(tǒng)的加工和裝調(diào)精度，而此方法必然增加衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的研制難度。通過分析波前畸變對衛(wèi)星激光通信性能的影響，可得到光學系統(tǒng)各級像差、局部畸變特性與系統(tǒng)瞄準、捕獲、跟蹤、通信性能的關系，為優(yōu)化光學系統(tǒng)、提出波前畸變有效補償方法打下基礎。

5、本文針對波前畸變對衛(wèi)星激光鏈路性能的影響進行了深入系統(tǒng)的研究。主要完成了以下四個方面工作：
　　1.針對光學系統(tǒng)中出現(xiàn)的局部波前畸變情況，建立了局部波前畸變理論模型分別針對透鏡和反射鏡中單個和多個局部畸變建立了局部畸變模型——截斷型橢圓高斯模型。其中定義了畸變半徑、畸變深度和畸變位置等局部畸變特征參數(shù)，解決了利用Zernike多項式展開的方法不能對局部畸變特征參量進行定量分析的問題。
　　2.建立了波前畸變對瞄準和捕獲偏差影

6、響的理論模型，給出了波前畸變對瞄準和捕獲性能的影響情況。
　　基于衛(wèi)星光通信中瞄準捕獲跟蹤原理，結合波前畸變對遠場分布的影響，定義了畸變瞄準偏差和畸變捕獲偏差，建立了波前畸變對瞄準和捕獲性能影響的理論模型。分別針對透射式和反射式光學收天線結構，結合畸變光束遠場傳輸理論，研究了整體和局部波前畸變對瞄準和捕獲性能的影響。發(fā)現(xiàn)瞄準和捕獲偏差隨局部畸變深度呈周期性變化，且變化周期和峰值位置與其它畸變參數(shù)無關。
　　3.建立了波前畸變

7、對天線接收能量影響的理論模型，并給出了波前畸變對天線接收能量的影響關系。
　　為了評價波前畸變對天線接收能量的影響，引入了畸變功率衰減因子。分別針對透射式和反射式光學發(fā)射天線結構，結合畸變光束遠場傳輸理論，研究了整體和局部波前畸變對天線接收能量的影響，發(fā)現(xiàn)了天接收能量隨局部畸變深度呈周期性變化，且周期和峰值位置與其它畸變參數(shù)無關的規(guī)律。
　　4.建立了衛(wèi)星平臺振動存在條件下波前畸變對通信誤碼率影響的理論模型，分析了波前畸變對

8、系統(tǒng)通信性能的影響關系。
　　以OOK編碼為例，在不考慮其它噪聲的條件下，建立了衛(wèi)星平臺振動條件下發(fā)射光束波前畸變對通信誤碼率影響的理論模型，給出了發(fā)射光場旋轉對稱分布時誤碼率的解析式，對于光場非旋轉對稱分布時通過簡化模型給出了誤碼率的數(shù)值解。分別針對透射式和反射式光學發(fā)射天線結構，研究了整體和局部波前畸變對通信誤碼率的影響，發(fā)現(xiàn)了誤碼率隨局部畸變深度呈周期性變化，且變化周期和峰值位置與其它畸變參數(shù)無關的規(guī)律。
　　衛(wèi)星光通