卫星激光通信跟瞄精度测试方法及其实验研究

卫星激光通信捕获、跟踪、瞄准(ATP)需要端机具备有微弧度(μrad)量级的高精度跟踪能力。如何检验通信端机的这一特性是一个很重要的问题。设计了一套端机跟瞄精度测试装置。装置模拟入射光方向的偏转,端机跟踪从偏转方向发出的回馈信标光。通过测量回馈光远场光斑的位置变化可以得到端机的跟瞄精度。测试实验表明,当入射光方向的变化小于4μrad,测试频率在0~250Hz时,测试系统的精度可达到0.2μrad。此项工作对卫星激光通信的光链路通信的研究以及对端机性能的整体评估具有重要意义。     

高功率脉冲激光的远场能量密度分布测试方法研究

在分析现有的激光远场能量密度分布测试方法的基础上提出了一种新的测试方法.采用激光束照射漫反射靶,CCD相机对靶上激光光斑成像并在靶面上布置能量计探头以获取能量抽样绝对值的方法进行激光束远场大气传输后空域分布测试.从基本组成、测试原理、试验结果等方面对新测试方法进行了分析研究,并通过采用532nm脉冲激光照射1Km外的漫反射靶的实验对新测试方法进行了可行性验证,获得了远场激光光斑的图像和能量抽样值.     

高功率脉冲激光的远场能量密度分布测试方法研究

在分析现有的激光远场能量密度分布测试方法的基础上提出了一种新的测试方法.采用激光束照射漫反射靶,CCD相机对靶上激光光斑成像并在靶面上布置能量计探头以获取能量抽样绝对值的方法进行激光束远场大气传输后空域分布测试.从基本组成、测试原理、试验结果等方面对新测试方法进行了分析研究,并通过采用532nm脉冲激光照射1Km外的漫反射靶的实验对新测试方法进行了可行性验证,获得了远场激光光斑的图像和能量抽样值.     

激光远场焦斑测试技术的实验研究

 实验研究了激光远场焦斑能量分布测试的三种方法（长焦距透镜法、列阵相机法、Rattle Pair法），对三种测试方法得到的实验数据进行了比对，系统地分析了每种方法的优缺点。结果表明,采用长焦距透镜与一对微楔角劈板组合测试激光远场焦斑的方法更具优势，可减少测试系统引入的像差，并使图像处理过程得到简化。     

卫星激光通信终端光跟踪检测的数理基础

卫星激光通信光束的传播在空间属于远场衍射,而在地面光学跟踪检验中属于近场衍射。采用菲涅耳衍射理论研究了远场衍射和近场衍射对于产生光学跟踪位置误差信号的本质上的差别并且分析了等效条件,证明了近场检验中采用卫星相对角度运动轨迹的光束扫描可以准确模拟远场相对运动,同时也得到了光斑特性和卫星抖动模拟的分析。澄清了卫星激光通信终端光学跟踪性能检验中的基本概念,具有实际指导意义。     

纹影法测量远场焦斑实验研究

 报导了用纹影法测量远场焦斑的实验结果。远场焦斑经成像透镜放大成像后，由12bit，1 024×1 024面阵科学级CCD相机采集。将一定大小的小球放置在焦斑位置，用以遮挡光斑中心，控制CCD前的衰减可得旁瓣信息，将其与无遮挡光斑拼接，得到焦斑相对强度的完整分布。该方法扩展了焦斑光强测试的动态范围，可探测焦斑约4个量级的光能密度分布，提高了焦斑的测量精度。     

利用CCD准确测量激光远场发散角

 利用CCD面阵接收器,通过标定的方法,将其准确安置在长焦距透镜后焦面上,并找出CCD 象元数与原场发散角的对应关系,从而迅速确定远场发散角。同时用短焦距透镜对 光束限制光阑成像,测得近场光斑光强分布。以激光束振幅函数的傅里叶变换作为理想衍射 极限,将远场发散角与之比较,可以得到用几倍衍射极限的方法表示的实际光束质量。     

强激光远场光束质量参数的测试

 提出漫射红外成像-多点标校测量方法,用于测量强激光远场光束质量参数。在激光远场距离处设置漫反射靶板,用成像探测器摄取经靶面漫射的脉冲强激光光斑图像;在靶面中心处挖小孔,孔后放置能量探测器实时测量激光脉宽和峰值功率。同时对整个激光光斑图像进行能量定标,进而得出远场脉冲强激光的实际空间能量/功率分布、总能量,以及相应的光束质量参数。应用该测量方法,对高能TEA CO₂激光进行测量研究,测得其远场光束截面半径为80.2 mm,发散角为1.55 mrad。     

CCD摄像法测量激光远场光斑中图像校正和能量修正算法研究

介绍了CCD摄像法测量激光远场光斑的工作原理。依据CCD摄像机拍摄激光远场光斑的倾斜角度,在处理算法中利用透视投影原理,将采集光斑的畸变图像进行了校正;针对CCD摄像法摄取的漫反射激光光斑图像,构建了朗伯漫反射模型,利用朗伯修正算法将漫反射激光光斑的能量密度修正到直射激光光斑的能量密度,推导出了具体的修正计算公式。通过实际应用,验证了该算法在激光远场光斑测量中的有效性。     

高能激光环形光束近场和远场传输特性

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明:随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.     

Demonstration of a passive subpicostrain fiber strain sensor

We demonstrate a fiber Fabry-Perot (FFP) sensor that is capable of detecting subpicostrain signals, from 100 Hz and extending beyond 100 kHz, using the Pound-Drever-Hall (PDH) frequency locking technique. A low-power diode laser at 1550 nm is locked to a free-space reference cavity to suppress its free-running frequency noise, thereby stabilizing the laser. The stabilized laser is then used to interrogate a FFP sensor whose PDH error signal yields the instantaneous fiber strain.     

空间激光通信最新进展与发展趋势

空间激光通信凭借其带宽优势,成为未来高速空间通信不可或缺的有效手段,是近年来国际上的研究热点。本文详细介绍了美国、欧洲和日本在空间激光通信技术领域的最新研究进展和未来发展规划,总结了国内外空间激光通信演示计划的主要参数指标。通过对空间激光通信最新研究计划的分析,归纳出空间激光通信高速化、深空化、集成化、网络化、一体化5个发展趋势,以及需要突破的高阶调制、高灵敏度探测、多制式兼容、"一对多"通信等关键技术。为我国激光通信设备及相关研究提供借鉴和参考。     

自由空间光通信技术的研究现状和发展方向综述

自由空间光通信是以激光作为信息载体,是一种不需要任何有线信道作为传输媒介的通信方式。它结合了微波通信和光纤通信的优势,具有速率高、功耗低、机动性强等特点,在卫星通信、本地宽带接入和军事通信领域都具有极大的发展潜力。介绍了欧美发达国家在自由空间光通信方面的研究现状,并分析了它们的关键技术。指出了自由空间光通信的发展趋势。     

Photon sieve for reduction of the far-field diffraction spot size in the laser free-space communication system

In the free-space laser communication, there is sometimes a strong need for reduction of the diffraction spot size in the far field. In this paper, instead of the usage of the larger size aperture lens and super-resolution technology in the free-space laser communication system, we introduce photon sieve to compress the center spot in the diffractive far field, which can decrease the weight of the emitting lens. We have designed the photon sieve and calculated its far-field diffractive intensity. We have also calculated the far field Airy diffractive field intensity. Simulation proves that the photon sieve diffractive spot is smaller than the Airy spot with the same transmit aperture. We have set up an experimental system to simulate the far-field diffraction free-space laser communication. Experimental results are in good agreement with the theoretical results. Detailed experiments are presented.     

空间激光通信及其关键技术

通信领域中激光通信技术由于自身的优越性得到了广泛的应用。通过将空间激光通信与微波通信比较，介绍空间激光通信的优点：大容量、低功耗及体积小、质量轻等。叙述空间激光通信的基本原理。重点阐述空间激光通信系统大功率光源技术、高灵敏度抗干扰光信号接收技术、通信链路的快速及精确的捕获、跟踪和瞄准技术等关键技术。激光通信可广泛应用于军事、经济等各个领域，必将有广阔的发展前景。     

自由空间保密光通信的研究及其实现

利用Mie散射理论分析论证了自由空间光通信传输的光信号在信道外被截获的可能性。提出了两种适于自由空间光通信图像保密通信的方法,并对这两种方法的性能进行了比较。设计并研制了实验系统。利用所提出的方法实现了自由空间光通信的图像保密传输。     

Quantum-correlation-based free-space optical link with an active reflector

We present a quantum-correlation-based free-space optical(FSO) link over 250 m using an outdoor active reflector 125 m from the transceiver station. The performance of free-space optical communication can be significantly degraded by atmospheric turbulence effects, such as beam wander and signal fluctuations. We used a 660 nm tracking laser to reduce atmospheric effects, by analyzing the fast beam wander and slow temporal beam drift, using this information to correct the quantum channel alignment of the 810 nm signal photons. In this work, the active reflector consisted of a mirror, a 6-axis hexapod stage, and a long-range wireless bridge. The slow drift of the beam path due to outdoor temperature changes was steered and controlled using wireless optical feedback between the receiver units and the active reflector. Our work provides useful knowledge for improved control of beam paths in outdoor conditions, which can be developed to ensure high quality quantum information transfer in real-world scenarios, such as an unmanned FSO link for urban quantum communication or retro-reflective quantum communication links.     

Bit-error rate for free-space optical communication with tip-tilt compensation

In this paper, a new kind of method is developed to analyse the bit-error rate for a free-space optical communication system, which is based on the three most important parameters of scintillation statistics, i.e. fraction of time of fade and surge, mean frequency of level crossings, and mean duration of fade and surge. By using this method, the relationship between the bit-error rate and scintillation is clearly identified. The tip-tilt error deteriorates the performance of a free-space optical communication system. Fine tracking ability of adaptive optics (through tip-tilt compensation) can overcome this difficulty. The fade and surge statistical parameters with tip-tilt compensation are evaluated for the plane wave model. The bit-error rate as a function of the scintillation statistical parameters (with tip-tilt compensation) is developed. The results show that the bit-error rate is reduced notably through tip-tilt compensation for free-space optical communication.     

基于波数积分的水声传播建模实现方法研究

研究了基于波数积分的水声传播建模数值实现方法,利用局部系数矩阵的映射,建立了全局系数矩阵,分析了保持数值稳定性的方法。用FFP方法实现了数值积分,并讨论了实现过程中的一些细节。结合仿真实例与基于简正波的模型KrakenC和Kraken的计算结果进行了比较分析。结果表明,波数积分方法在近场计算时更为准确,同时还具有容易扩展到复数域计算衰减的问题、容易求解粘弹性介质中声场的特点。