大气相干激光通信的中断概率和信道容量研究

针对大气相干激光通信常受到信道衰减、大气湍流和指向误差等效应影响的问题,分析在这些复合效应下的大气信道的衰落分布模型,求出中断概率和信道容量的闭合解。研究得出,一方面,虽然指向误差恶化了相干激光通信系统的中断性能和信道容量,但是通过将指向精度控制在ξ=1.4量级可明显降低其影响;另一方面,虽然高阶数的自适应光学补偿能更好地抑制大气湍流引入的光相位畸变,但是较低阶数(J=3)的自适应光学补偿可明显改善中断概率和信道容量。为了实现高可靠、大容量的大气相干激光通信,在系统设计时需联合考虑低阶自适应光学补偿和高精度光束指向、跟踪。

一种用于星间相干激光通信的频偏估计算法

载波频偏估计算法是星间相干激光通信系统解调算法的重要组成部分,算法性能直接决定后续判决的精度,对整个系统的通信性能起到了至关重要的作用。文章提出了一种基于快速傅里叶变换(FFT)和频谱细化方法相结合的两级频偏估计算法,利用星载设备较少的计算资源,实现了载波频偏粗估计和精细估计的高精度联合估计。仿真结果表明,当两级FFT点数分别为128和2048时,算法的信噪比阈值为8dB,当信噪比大于阈值时,算法的估计精度与基于FFT的频偏估计算法相当,归一化频率方差达到10^(-10),优于基于相位增量的频偏估计算法。此时,相较于基于FFT的频偏估计算法,本文所提算法的实数乘法和加法次数分别减少了25.17%和55.19%,因此算法复杂度大大降低。

带有前置EDFA卫星相干激光通信终端的信噪比分析

卫星激光通信链路是一项实现卫星大规模星座组网的关键技术。相干激光链路灵敏度高、抗背景干扰、速率升级空间大,在星间激光链路中应用广泛。文章建立了带有前置掺铒光纤放大器(EDFA)的卫星相干激光通信终端的信噪比分析模型,仿真分析了EDFA功率增益、EDFA噪声系数、本振光功率、信号光功率、光放后端光带宽、基带前端电带宽对终端输出信噪比的影响以及各种输出噪声功率占比的情况,得到了带有前置EDFA卫星相干激光通信终端的信噪比参数特性。

星地相干激光通信中的自适应光学系统边界参数设计

分析了星地相干激光二进制相移键控(BPSK)通信系统中自适应校正波前残差与相干效率的关系;讨论了自适应校正下相干效率和误码概率的动态特征;然后,研究了大气闪烁对相干效率和通信误码率的影响。在假设接收强度均匀分布的前提下建立了波前残差均方根值与相干效率的理论关系,采用频率直方图方法仿真了相干效率以及相应的误码概率的概率分布函数,计算了不同校正残差和闪烁条件下的通信平均误码率。结果表明:波前残差大于1rad时,相干效率主要受波前残差影响,自适应校正性能达到衍射极限时才能获得10-8的误码率,但此时大气闪烁可能会使误码率增大两个数量级。

振动对星间相干激光通信的影响

针对星间相干激光通信中卫星平台的振动造成发射天线和接收天线的瞄准角误差,使系统信号信噪比下降,误码率(BER)增加,该文以瑞利分布作为振动造成的瞄准角误差模型,结合高斯本振光和艾里信号光外差检测模型,以PSK零差通信体制为例分析卫星振动对系统的瞬时误码率和平均误码率的影响,给出误码率仿真计算结果。指出接收天线瞄准角误差对星间光通信质量影响很大,在瞄准角误差的标准偏差σ小于1μrad范围内,系统误码率小于1-0 6。

基于标量衍射的星间相干激光通信外差效率研究

针对本振光为高斯分布,接收信号光经望远镜聚焦后为艾里分布的情况,首先对高斯和艾里函数用数值计算的方式得到两种光斑最大外差效率:当艾里斑直径和高斯光束束腰直径之比为1.719时,最大外差效率为81.45%;然后介绍了光的标量衍射和Zernike像差理论,分析了夫琅禾费衍射适用于相干聚焦光场的条件,计算了平面、高斯、艾里光场和Zernike像差的采样要求,对存在各种像差的光学系统的外差效率进行了仿真,分析了倾斜、离焦、像散、慧差、球差等基本像差及组合像差对外差效率的影响,结果表明:各种像差对外差效率的影响从低到高分别为像散、倾斜、离焦、慧差和球差;3dB外差效率损失对应相干系统的指标为跟踪误差优于1μrad(RMS),组合波像差优于0.1λ。研究结果对相干激光通信系统的链路损耗分配和光机系统的工程设计具有指导意义。

自适应光学对星地相干激光通信性能改善研究

相干激光通信能够实现每秒数百吉比特的通信速率和接近量子极限的灵敏度,在未来天地一体化信息网络中具有广泛的应用前景。大气湍流引入的光学波前畸变是影响星地相干激光通信链路性能的重要因素。本文将自适应光学技术应用于大口径光学地面接收站,并系统地开展了4 Gbps高速相干激光通信试验,试验结果表明,自适应光学技术能够有效抑制中等大气湍流的影响,并提高相干激光通信的灵敏度和稳定性。

反射镜面形畸变对相干激光通信的影响

研究了相干激光通信系统中由反射镜面形畸变造成的信号光波前畸变,进而分析了信号光和相干光波前失配引起的相干效率下降以及误码率的上升。仿真结果表明,反射镜面形的峰谷值对通信链路性能影响较大;相比而言,畸变的大小对于链路性能影响有限。

卫星相干激光通信系统与技术发展

自由空间光通信(Free Space Optical Communication,FSOC)尤其是基于相干体制的卫星激光通信,正逐渐成为突破微波通信瓶颈、建设天地一体化网络、实现高速数据传输的重要手段。总结了欧空局、德国、日本及国内卫星相干激光通信的重要进展,给出了成功验证的相干激光通信系统的激光器、传输速率、多普勒频移补偿范围等参数,重点分析了基于Costas光锁相环(Optical Phase-Locked Loop,OPLL)技术的零差相干激光通信系统,并提炼出关键技术以及未来星间相干激光通信的发展趋势,可为卫星相干激光通信的研究提供一定的参考。

大气湍流影响星地相干激光通信的数值仿真

由于解析法在研究相干光通信的相位补偿等问题中存在困难,采用多层相位屏分步传输的数值仿真方法研究大气湍流对星地相干光通信下行传输的影响.首先建立了卫星地面之间的大气湍流中激光传输的仿真模型,可以实现不同天顶角和不同湍流条件下的光传输仿真计算.然后用其进行地球同步轨道(GEO)卫星下行光通信的数值仿真分析,并通过与理论值的对比来检验算法的可靠性.最后结合二进制相移键控(binary phase shift keying,BPSK)相干激光通信系统的误码率(bit error rate,BER)模型,计算分析了下行激光通信信号的衰落系数和BER.

星地相干激光通信链路预算分析

从星地相干激光通信链路预算方程出发，分析了通信系统各参量对激光链路的影响，从系统各单元的性能参数分配和优化出发，验证了5Gbps星地相干光通信实验的可行性。分析了相干外差探测中混频效率表达式。仿真结果表明，采用自适应光学能有效地提高相干混频效率。

大气信道下窄线宽激光器对相干通信系统性能影响研究

在空间下行相干激光通信系统中,激光器的线宽大小会影响通信系统的性能,而窄线宽激光器能有效降低激光器线宽引起的激光器相位噪声,目前已经成为相干激光通信系统的首选。光信号在大气信道传输时,大气湍流会引起光信号强度和相位的波动,从而进一步影响系统的通信性能。针对上述问题,基于四相移键控(Quadri Phase Shift Keying, QPSK)通信系统的工作原理,进一步考虑窄线宽激光器线宽和大气湍流引起的光信号强度和相位的波动,给出了空间下行QPSK通信系统误码率模型。并基于该模型,数值仿真分析了窄线宽激光器对空间下行相干激光通信系统性能的影响。结果表明:大气湍流不仅严重影响系统性能,也会弱化激光器线宽对系统性能的影响。而对于大气湍流影响而言,其引起的相位波动要大于光强波动的影响。此外,随着通信速率增大,激光器线宽对于系统性能影响也会随之降低。文中对于空间下行相干激光通信系统的优化设计和调试具有一定的实际参考意义。

星间相干激光通信中反射镜面形畸变状态下通信性能的研究

单个激光波长受卫星相干光通信系统中反射镜的影响,其波前将会发生不可预期的变化。研究了波前在单个反射镜面形畸变下的变化,并分析了它对卫星相干光通信效率的影响。仿真结果表明,畸变位置处的峰谷值是影响激光波前的主要因数,而畸变的大小对链路性能的影响却有限。

激光频率波动对内差相干通信载波恢复性能的影响分析

搭建内差相干激光通信系统频率波动模型,对比分析BPSK和QPSK两种信号在不同频率波动条件下和Viterbi-Viterbi滤波器长度时的载波恢复性能。结果表明,当系统的工作状态稳定后,在激光频率波动幅度和波动频率较小时,两种信号的光信噪比损失平均值均小于0.5dB;随着波动幅度和波动频率的逐渐增大,Viterbi-Viterbi滤波器的长度越大,光信噪比损失就越严重。当Viterbi-Viterbi滤波器长度分别为7和11时,两种信号载波恢复性能良好。此时,BPSK信号由波动幅度引起的光信噪比损失平均值分别为0.11dB和0.16dB,由波动频率引起的光信噪比损失平均值均为0.15dB。而QPSK信号由波动幅度引起的光信噪比损失平均值分别为1.7dB和2.9dB,由波动频率引起的光信噪比损失平均值均为0.8dB。因此,对于相同的Viterbi-Viterbi滤波器长度、波动幅度和波动频率,BPSK信号的抑制激光频率波动能力优于QPSK信号。

高速率空间激光通信系统及其应用

经过二十余年的快速发展,空间激光通信的研究重心逐渐从高精度ATP分系统向高速率通信分系统转移。紧密跟踪空间激光通信的国际发展最新动态,从通信带宽和链路功率两个方面,针对通信发射单元、接收单元和信道特性,分析了提高空间激光通信传输速率的技术难度与途径,分别阐述了波长1 550 nm、基于EDFA功放和前放技术,空间相干技术,光偏振复用技术,光波分复用技术的基本原理、性能指标及关键技术,为高速率空间激光通信提供了技术参考。

自适应光学技术在通信波段对大气湍流的校正

针对大气湍流引起的激光光强、相位和传输方向的随机变化对大气激光通信质量的影响,开展了用自适应光学(AO)技术校正大气湍流影响的研究。定量分析了自适应光学技术在通信波段校正大气湍流的效果。利用中国科学院光电技术研究所研制的安装在云南丽江高美谷观测站的1.8m望远镜和127单元AO系统,在1 550nm通信波段对不同高度角的恒星进行了大气湍流校正实验。通过采集校正后的恒星图像,分析了校正后的斯特勒尔比,同时记录下当时的大气相干长度,由此得到了在不同大气湍流条件下的校正效果。实验表明,当大气湍流强度D/r0(1 550nm)小于6.5时,校正后的波面RMS值可以小于1rad,即在中弱大气湍流条件下,该AO系统可以有效地对大气湍流进行校正。

重大科研成果

超强超短激光及其应用激光脉冲峰值功率达到拍瓦级、脉冲宽度达到飞秒级的超高功率超短脉冲激光(简称'超强超短激光')能在实验室内创造出前所未有的超强电磁场、超高能量密度和超快时间尺度综合性极端物理条件,在台式化加速器、超快化学、阿秒科学、材料科学、激光聚变、核物理与核医学、高能物理等领域具有重大应用价值,是国际科技竞争重大前沿领域之一。