卫星间光通信

应用卫星间链路(ISL)技术,可将航天飞机和地球观测卫星采集的信息及数据传送给地面中继站。 将来,无论是在卫星轨道上组装大型设备,还是利用轨道上的极小引力条件研制特殊材料,都需要机械手进行作业。在地面上控制这类机械手作业时,必须有非常便利且可靠的通信系统,将宽频带的动态图像信号在轨道与地面间自由地传送。一般容量的通信系统无法完成这一重任,这将阻碍人类对宇宙的开发。而包含卫星间光通信技术在内的卫星通信技术,     

卫星光通信中光束跟瞄技术研究

卫星光通信中,两个光通信终端同时对来自对面终端的光束进行跟踪,跟踪误差为时间和统计上的联合随机变量.讨论了跟踪误差对光功率接收的影响,对双向跟踪的稳态条件进行了估计.最后,以开关键控脉冲调制和直接检测方式的卫星光通信为例,通过仿真分析了跟瞄误差对光通信的影响.     

卫星光通信光束对准误差分析

卫星间光通信链路中对准误差对接收功率和误码率都有严重的影响.对高斯型光束的传输与接收损耗的关系进行了研究,得出了接收光功率和误码率公式,并用数值分析方法进行了定量分析.     

空间辐射环境对卫星光通信系统误码率的影响

为了提高卫星光通信系统的空间抗辐射性能,开展了空间辐射损伤对卫星光通信系统的误码率影响研究。建立了空间辐射损伤的误码率模型,并基于该模型对光源和光电探测器辐射损伤条件下的系统误码率进行了数值计算。结果表明γ射线辐射和质子辐射均能对通信系统误码率造成几个量级的下降,需要增加合理的空间辐射屏蔽单元或者选择空间抗辐射性能较高的零差BPSK工作模式。     

空间光通信中平台振动对误码率影响的抑制

在自由空间光通信(FSO)中,通信端机所处的平台在各种随机干扰力下发生振动,使正常的通信光路发生偏移,对误码率(BER)产生影响。为了减小振动引起的误码率,提出通过控制接收端光斑形状和大小来抑制误码率,并给出利用像散来获得指定光斑的设计方法和实例。结果表明,在实际通信环境中,通过选取合适的光斑参量可以使振动引起的误码率达到最小,通过调节发射端光学天线参量可以获得指定的光斑参量。对于振动不对称的情况,接收端光斑应该选择为椭圆形。     

湍流大气对高斯光束聚焦特性的影响

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,推导出高斯光束在湍流大气中经薄透镜聚焦后的光强解析表达式,进而得到轴上点最大光强和相对焦移的公式。对表达式进行的数值仿真结果表明,湍流大气中高斯光束的聚焦规律与自由空间中高斯光束的聚焦规律相同,湍流大气对高斯光束聚焦特性的影响表现为,使得轴上点最大光强减小、相对焦移增大。因此,为在探测器上获得最大光强和较小的相对焦移,应采用大束腰高斯光束通过短焦距透镜进行聚焦。     

球差透镜对余弦高斯光束聚焦特性的影响

本文基于余弦高斯光束通过球差透镜聚焦的轴上光强分布表达式,讨论了球差系数格。及高斯光束菲涅耳数Nw对轴．卜光强的影响。数值计算结果表明负球差可作为获得轴向光强平顶分布的一种方法。当无球差时,最佳聚焦点位于几何焦点的左侧。当透镜具有正球差时,通过改变菲涅耳数Nw可以实现最佳聚焦点由几何焦点左侧zf1快速跃变到右侧zf2,此时出现焦开关现象。球差系数越大,对应的相对跃迁量△zf=｜zf1-zf2｜也越大,而临界菲涅耳数（Nw）。则越小,如当格kS2=0．5和0．3时,发生跃变的临界点分别为（Nw）0.5=7．03和（Nw）0.3=8．68,其相对跃迁量△zf分别为0．246及0．146。     

指向误差下高斯光束几何衰减模型分析

无线光通信系统中的指向误差对光功率的几何衰减产生影响,导致系统接收光功率的下降,影响系统性能.为了精确分析指向误差对无线光通信系统性能的影响,本文基于高斯光束光强分布推导了圆形孔径下无线光通信系统接收光功率几何衰减模型的精确解析解,仿真了不同参数条件下指向误差对系统几何衰减的影响,验证了解析解的准确性,并与现有模型进行了比较分析.结果表明,采用现有近似模型计算几何衰减存在的误差不能忽略,因此在圆形孔径下进行模型推导更符合实际情况.在无线光通信点对点通信及组网通信时,采用本文所得的指向误差下的高斯光束几何衰减解析模型更为精确.     

复杂像散高斯光束的并合光束特性

利用Wigner分布函数 ,对复杂像散高斯光束的并合问题进行了详细研究 ,得到了相干和非相干并合光束的光强分布和M2 因子的解析表达式。解析结果和数值计算均表明 ,并合光束的特性与子光束数目、相对间距和几何排布等因素有关。以光束传输因子 (M2 )作为标准时 ,相干并合光束质量优于非相干并合 ;以桶中功率 (PIB)作为标准时 ,相干并合光束质量并不总优于非相干并合。     

高斯光束的光谱传输特性分析

为了研究光束的光谱传输特性,根据广义惠更斯-菲涅耳原理,推导了高斯光束光谱经自由空间和湍流大气传输的表达式,并以中心频率为1.78×1015rad/s、谱宽为8.39×1013rad/s的高斯光束为例进行了数值分析。结果表明,高斯光束传输过程中,z轴附近光谱存在少量蓝移,离轴距离增大到约为0.5w(z)时,光谱由蓝移变为红移,湍流效应对离轴较远点的谱移现象有比较明显的抑制作用,而增大源光谱的带宽,则会使谱移现象更显著;计算1.78×1015rad/s和1.75×1015rad/s两束单色光传输5000m时传输截面上的光强分布发现,对于某个横向位置,源光谱中心频率激光的强度会比某个其它频率激光的强度小,产生传输截面上的谱移现象,谱移现象随各参量的变化规律可由高斯光束的束腰变化规律和湍流效应对光束的展宽效应进行解释。     

卫星光通信系统及其发展

本文首先介绍了卫星光通信系统的组成,然后重点介绍了其关键技术,发展趋势及今后研究的重点。     

高斯光束光学系统的合成

本文在输入、输出空间折射率不相等情况下,分析了对应于不同变换要求的几种高斯光束光学系统的分解方法,阐明各种分解形式的意义。同时,讨论了当给定系统输入、输出空间高斯光束参数时,系统如何实现的问题。     

星间光通信振动对系统性能的影响——直接检测PPM调制方式

星间光通信中振动是影响系统性能的重要因素,即使其中一个卫星的瞄准系统的很小幅度的振动也可以引起整个网络的性能急剧恶化。分析了直接检测脉位调制(PPM)下振动对网络性能的影响。     

星间光通信振动对系统性能的影响--直接检测PPM调制方式

星间光通信中振动是影响系统性能的重要因素，即使其中一个卫星的瞄准系统的很小幅度的振动也可以引起整个网络的性能急剧恶化。分析了直接检测脉位调制（PPM）下振动对网络性能的影响。     

高斯光束在光纤间的透镜耦合

高斯光束在光纤间的透镜耦合是耦合方式中较为常用的一种。首先指出高斯光束在光纤间利用透镜耦合的基本要求，然后通过归一化高斯光束的成像规律进行数值计算，分析了多个因素对于耦合的影响，得到透镜及整个耦合系统参数选择的一般性结论。最后给出一个耦合实例证明该方法的可行性。     

星间光通信发射终端激光耦合单元的设计及实验研究

激光耦合系统是星间光通信系统的重要组成部分。针对星间光通信系统的要求，本文采用一种新型的半导体激光耦合方案，用前后正交的非球面柱面透镜准直半导体激光束，再经渐变折射率（GRIN）自聚焦透镜聚焦耦合入单模光纤。就耦合效率随半导体激光器对光轴的偏离和对光轴角度的偏转进行了研究，发现耦合效率的变化灵敏度不高；同时，在光纤尾纤处测量了输出功率随驱动电流的变化关系，单模运行的半导体激光二极管经耦合后，出纤功率可以达到80mW，满足了星间光通信的要求。     

高斯光束对全息光学元件的加热效应

从理论上讨论了高斯光束对全息光学元件的加热效应。用格林函数法计算了高斯光束照射全息元件所引起的温升。分析了各种参数对温升的影响。并给出了激光加热重铬酸盐明胶全息光学元件的实验结果。     

会聚高斯光束光轴上的光场强度分布

根据惠更斯一菲涅耳原理，推导出会聚病折光束经圆形孔径衍射后光轴上的场分布及强度分布表达式。讨论了轴上点光强最大值相对会聚高斯光束束腰的偏移量同衍射孔径及高斯光束参数的关系。