空间激光通信自适应校正性能评价分析

CIOMP OpenIR

	空间激光通信自适应校正性能评价分析
	尹向辉
学位类型	博士
导师	曹召良
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	自适应光学空间激光通信大气湍流
摘要	空间激光通信正在成为下一代高速通信技术的核心,相对于射频通信,激光通信具有通信带宽高、能量集中、抗干扰能力强等优点;相对于光纤通信,激光通信具有铺设成本低、组网灵活等优点。空间激光通信的主要干扰因素是大气湍流引起的信号能量衰减,大气会造成信号光束漂移和信号光波前畸变,须使用自适应光学(Adaptive Optics,AO)系统进行实时补偿。为了进行校正效果的预估,须定量分析评价自适应校正系统的性能。目前激光通信自适应系统采用的评价方法还是沿用以获得高分辨率成像为目的的系统性能评价体系。其采用斯特列尔比来评价激光通信系统能量接收能力;采用统计法来评价激光通信系统的误码率。但是激光通信是一个能量接收系统,其接收能量的大小与靶面处的能量分布和接收靶面大小直接相关。因此,斯特列尔比法无法实现接收能量的精确评价。此外,激光通信最终效果以误码率为依据,其是一个动态性能表现。因此,统计平均法无法实现对其动态误码的精确评价。本论文主要针对目前空间激光通信自适应校正性能评价中存在的这两大问题进行研究,以期实现其精确评价。提出基于桶中功率的空间激光通信接收能量效率的评价方法,解决斯特列尔比法无法精确计算激光通信系统接收能量的问题。首先建立桶中功率模型,然后推导出桶中功率的具体表达式,接着结合湍流理论推导出湍流影响下的平均桶中功率和系统平均误码率公式,为空间激光通信自适应光学系统的设计提供依据。依据公式得出,激光通信接收能量和靶面半径R以及大气湍流强度D/r_0相关。只有当接收靶面尺寸为0.6倍艾里斑时,斯特列尔比和桶中功率法计算结果一致。对于其它靶面尺寸,斯特列尔比法计算误差较大。对于中等湍流D/r_0=4,当靶面尺寸为5倍艾里斑时,斯特列尔比法的归一化能量计算结果和桶中功率法相差约0.9,说明此时斯特列尔比法已经无法使用。然后,进行桶中功率法的模拟验证。利用计算机产生随机湍流并求得模拟的接收能量,结果显示,模拟值与理论公式计算结果的偏差小于1%,验证了理论公式的有效性。最后,进行了实验验证,结果显示,实验值与桶中功率理论计算结果的偏差为3.5%,而斯特列尔比法与实验值相差高达29%。因此,利用桶中功率法能够把接收能量的精度提高8倍。首次利用概率理论分析了自适应校正后空间激光通信误码率的动态变化,解决了统计平均法无法预估误码率的动态变化问题,为空间激光通信自适应光学系统设计提供理论依据。首先基于概率理论分析并推导Kolmogorov湍流各阶像差的概率分布。然后分析了不同湍流条件下倾斜校正量的概率,倾斜幅度与湍流强度近似成5/6次幂关系,并得出当概率在10~(-5)、湍流的D/r_0=4的条件下,最大倾斜校正量为10rad。接着分析了不同高阶校正阶数产生的校正残差概率,并进一步得到不同校正阶数时,接收能量效率和大气湍流强度的关系。同时还得到了在探测误差概率为10~(-7)时,探测误差和湍流强度的关系。最后分析了自适应系统带宽和接收能量效率的关系,得出当系统带宽需要为格林伍德频率的1.5到2倍时,可以获得80%以上的能量效率。针对上述理论结果,设计了水平大气激光通信自适应校正实验验证系统。首先进行了静态像差的校正实验,针对波像差为0.2-0.4?(?=808nm)的畸变,校正后RMS值小于0.1?,耦合效率提升到85%以上。针对大气相干长度1cm、格林伍德频率40Hz的湍流,进行了自适应校正激光通信实验,自适应校正后平均耦合效率提高20%以上,误码率从10~(-5)降低为10~(-7),误码等级降低了2个数量级。最后,在大连旅顺首次实现了国内水平9公里的激光通信自适应校正。校正前波前畸变的平均RMS值为0.2?,校正后平均RMS值减小到0.08?。同时,其通信误码率从校正前的10~(-6)降低到10~(-10),揭示了自适应系统的在激光通信系统中的必要性。本论文属于激光通信自适应光学系统研究开创性工作,对自适应光学系统应用于激光通信中的设计依据、评价指标等进行了深入分析,并首次进行了国内水平激光通信自适应校正实验,为自适应光学技术在激光通信中的应用提供理论设计依据和实验经验。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61664
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	尹向辉. 空间激光通信自适应校正性能评价分析[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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