基于偏振移位键控的大气激光通信关键技术刘智 9787030569509 科学出版社下载 mobi epub pdf 电子书 2024

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刘智著

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发表于2024-11-23

图书介绍

店铺：闻知图书专营店

出版社：科学出版社

ISBN：9787030569509

商品编码：29240258275

出版时间：2017-12-15

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图书描述

书名	基于偏振移位键控的大气激光通信关键技术
定价	78.00
ISBN	9787030569509
出版社	科学出版社
作者	刘智
编号	1201687755
出版日期	无
印刷日期	2018-03-01
版次	1
字数	200千字
页数	152

目录
前言
D11章绪论1
1.1研究背景1
1.2研究目的与意义2
1.3国内外研究现状3
1.3.1空间激光通信技术研究与应用概况3
1.3.2激光偏振调制技术相关研究与应用国外研究概况21
1.3.3激光偏振调制技术相关研究与应用国内研究概况27
1.4主要内容及结构安排31
D12章基于偏振移位键控的大气激光通信系统原理35
2.1引言35
2.2基于偏振移位键控的大气激光通信系统的组成36
2.3CPolSK调制在大气激光通信系统中的优势39
2.3.1通信系统收发端无需坐标轴对准39
2.3.2调制信号抗干扰性强42
2.4基于PolSK的大气激光通信系统的关键技术46
2.5本章小结49
D13章激光信号偏振移位键控调制技术51
3.1引言51
3.2激光偏振特性描述52
3.2.1光波偏振态52
3.2.2光波偏振度54
3.3偏振移位键控技术原理55
3.4大气激光通信系统中的强度调制与偏振调制性能比较57
3.4.1各种激光强度调制方式介绍57
3.4.2调制方式性能分析59
3.5基于铌酸锂晶体的偏振态调制技术65
3.6本章小结69
D14章大气信道中GSM光束的偏振传输特性70
4.1引言70
4.2大气信道的湍流效应71
4.2.1大气湍流的形成71
4.2.2大气折射率结构常数74
4.2.3大气折射率起伏功率谱密度76
4.3大气湍流对激光传输的影响77
4.4部分相干、部分偏振的GSM光束偏振传输特性研究78
4.4.1相干性和偏振性统一理论78
4.4.2GSM光束在湍流环境中的传输公式79
4.4.3GSM光束在湍流环境传输的偏振特性研究82
4.5湍流环境激光偏振传输特性半实物仿真研究88
4.5.1大气湍流模拟装置介绍89
4.5.2湍流环境激光偏振传输特性半实物仿真系统组成90
4.5.3半实物仿真结果分析92
4.6本章小结95
D15章基于CPolSK的大气激光通信系统半实物仿真96
5.1引言96
5.2偏振移位键控系统与OOK系统性能对比96
5.2.1偏振移位键控与OOK通信系统构建96
5.2.2性能分析98
5.3高速CPolSK通信系统的仿真研究103
5.4基于CPolSK的大气激光通信系统半实物仿真研究106
5.5本章小结108
D16章基于液晶可变相位延迟器的偏振激光源110
6.1引言110
6.2影响激光器输出光束偏振特性改变的因素及对PolSK系统的影响111
6.2.1影响激光器输出光束偏振特性改变的因素分析111
6.2.2激光源输出光束偏振特性改变对CPolSK系统性能的影响114
6.3基于液晶可变相位延迟器的偏振激光源117
6.3.1基于液晶可变相位延迟器的偏振激光源系统组成及工作原理117
6.3.2基于液晶可变相位延迟器的偏振激光源性能测试119
6.4基于液晶的激光偏振参数控制技术121
6.4.1液晶的电控双折射效应122
6.4.2基于液晶的光波偏振态控制技术123
6.5傅里叶分析法激光偏振参数测量技术126
6.5.1激光偏振特性的斯托克斯参量表征126
6.5.2傅里叶分析法偏振参数测量126
6.6本章小结129
D17章相干度精Q可控的部分相干激光源131
7.1引言131
7.2部分相干光基本理论131
7.2.1空间-时间域互相干函数131
7.2.2空间-频率域的交叉谱密度函数132
7.2.3空间-频率域的交叉谱密度矩阵132
7.2.4GSM光束133
7.3GSM光束产生实验原理134
7.3.1毛玻璃法134
7.3.2空间光调制器法135
7.4GSM光束生成实验系统137
7.4.1实验系统原理框图137
7.4.2GSM光束的生成137
7.4.3光束相干度检测138
7.5本章小结139
D18章结束语140
8.1主要研究内容140
8.2主要创新点143
8.3未来展望143
参考文献145
附录150

1、在靠前外相关研究成果基础上针对空间激光通信应用引入偏振移位键控技术系统地研究了基于偏振移位键控的大气激光通信系统组成及工作原理；并对圆偏振移位键控-CirclePolarizationShiftKeying,CPolSK调制信号应用于大气激光通信系统中所具有的独特优势进行具体分析。

靠前章绪论

1.1研究背景

根据信号的传输信道特性可将通信分为有线通信和无线通信其中有线通信可分为明线通信、电缆通信和光纤通信而无线通信根据工作频段的不同又可分为微波通信和光通信。为满足21世纪信息多元化的要求信息与通信技术的飞速发展已经超过了人们的预期。现代社会信息量日益膨胀对信息交换的容量、信息传输的实时性、速率、保密性、抗干扰性等提出了更高的要求。为解决目前出现的微波通信频带拥挤、资源匮乏问题自由空间光通信-FreeSpaceOpticalCommunication FSO 又称作无线光通信作为一种新兴通信方式应运而生。它以激光光波作为信息载体大气信道作为主要传输介质的光通信系统实现远距离无线通信。它有效地结合了微波通信与光纤通信的双重优点满足大通信容量、高速率通信的要求且无需铺设光纤同时具有成本低、灵活性好、抗干扰能力强的优点。因此近年来世界各国纷纷向空间光通信领域投入大量的人力、物力并取得大量研究成果。

自由空间光通信系统中的通信范围所指的是广义的空间所以其涵盖的范围广泛如局域网连接、“很后一公里接入”、卫星间通信、卫星-地面通信、临近空间-地面通信、卫星-飞机通信等领域。通过在不同平台间建立通信链路可构成整个空间光通信网络体系能够为各种应用场景提供高速、便捷、保密的信息传输服务。如图1.1所示。

图1.1自由空间光通信网络体系

但是当空间激光通信系统发射的激光信号通过大气信道传输时激光信号会与大气中的气溶胶、水蒸汽等微粒相互作用形成大气吸收与散射效应。这些效应会引起系统接收端信号功率降低、激光光斑弥散等效果很终影响系统通信性能。大气信道中的湍流现象还会引起激光发生光强闪烁、光束扩展和漂移、到达角起伏等湍流效应这些效应会严重影响在大气信道中传输的激光光束质量综合影响整个光通信系统导致空间光通信系统总体性能的下降。

为克服以上因素的影响有效提升空间光通信的传输性能满足高速率、远距离、低误码率的要求在设计大气激光通信系统时有必要采取有效措施来避免或者降低激光信号传输过程中受大气湍流等效应的影响。美国、德国、法国、日本等国j1a都已开展自由空间光通信方面的研究多年在抑制大气信道影响方面取得了较多成果；但截至目前大气信道环境的影响仍是阻碍自由空间光通信向更高速率、更远距离、更低误码率方向发展的主要因素。

基于上述背景本书立足我国目前空间激光通信技术的研究现状对偏振移位键控调制技术及基于偏振移位键控的大气激光通信中的关键技术展开研究并通过理论分析、数值仿真和半实物仿真实验研究相结合的方法对基于偏振移位键控的大气激光通信关键技术及其关键技术进行深入的研究探索提高大气激光通信性能的新方法和新手段为实现低成本、高性能的大气激光通信提供有力的理论和实验基础。

1.2研究目的与意义

现代社会信息的日益膨胀和复杂化迫使信息传输容量剧增对信息交换的容量、信息传输的实时性、信息速率、保密性、抗干扰性等提出了更高的要求。微波通信逐渐出现频带拥挤、资源缺乏的问题开发大传输容量、高通信速率的无线通信系统成为未来空间通信发展的主要趋势。激光通信技术以激光作为载波通过对激光的某一特性进行调制来完成数据信息传输、信息交换的过程。激光因其具有微米量级或更短的波长特性使得频带较宽可提供较高的数据传输速率；激光光束发散角很小有很强的指向性使得信号光束很难被截获能有效提高通信安全。

传统的激光通信系统一般采用强度调制、频率调制或者相位调制在光谱域和频域进行处理。激光信号在大气信道传输过程中不可避免地会受到大气湍流、扰动和背景光噪声等因素的影响从而导致系统的可靠性降低。已有研究显示激光的偏振态是携带信息的又一理想载体其优越性体现在它是电磁场性质更全面、更深层次的描述对偏振的控制与探测实际上是对表征电磁场性质的激光特性参数的综合利用。其优势有：

-1表征偏振态的椭圆率角和方位角等信息随光的传播而满足一定的演化规律按照这些规律可反演出光在传播过程中所经历的调制、变换作用进而对传输过程中光波偏振性能的变化进行修正；

-2与激光强度调制技术相比利用激光偏振调制技术进行信息的编码与传输可以大大减少激光信号在大气信道中传输所受到的不利影响减小误码率提高通信准确率且编码与解码方法简单、易于实现；

-3激光偏振态的调制与解调技术已在光纤通信中得到广泛应用其偏振参数的测量方法与技术手段相对比较成熟；

-4偏振移位键控-PolarizationShiftKeying PolSK是一种利用光波的偏振态进行编码的调制技术该技术采用不同偏振态来表示逻辑信号“0”和“1” 实现激光的编码通信过程。

由于偏振移位键控编码的激光信号具有良好的功率均衡性即传输不同数据符号时的激光信号功率相同因此可有效解决功率波动问题降低通信系统的非线性效应提高谱效率。因此对基于偏振移位键控的偏振编码技术的研究将为提高空间光通信系统综合性能提供新方法与新途径具有重要的应用前景。

1.3靠前外研究现状

1960年在美国诞生了世界上靠前台红宝石激光器自此后不久人们即开始尝试利用激光进行无线通信。20世纪80年代大气激光通信掀起研究热潮世界各国纷纷开展相关研究。但是受当时技术条件和元器件的限制通信效果较差。近十几年来随着半导体激光器及其相关技术的快速发展大量关键技术和器件被突破如半导体激光器技术快速高精度指向、捕获、跟踪-PAT技术大气湍流效应及补偿技术窄线宽大功率激光调制发射技术低噪声光放大技术和高灵敏度DPSK/BPSK/QPSK光接收技术等空间激光通信再度引起各国政府的重视并逐渐引入到实际应用中。

1.3.1空间激光通信技术研究与应用概况

目前美国、日本、欧洲是开展激光通信试验研究的主要国j1a和地区它们广泛开展空间激光通信链路理论研究、原理样机研制、地面和通信演示验证等工作涉及卫星与卫星间、卫星与飞机间以及卫星与地面间等多种形式的通信链路并且各自都依托天文观测站建立了相应的地面激光通信站建立了比较全面的检测与评估体系。

图1.2为目前已经开展的空间激光通信链路技术示意图。从同步轨道卫星、中轨道卫星和低轨道卫星以及临近空间浮空平台、飞机、地面站等都已经开展了激光通信链路技术试验验证初步建立起立体化空间通信网络的框架。从该图可以看出同步轨道卫星的中继作用很好明显和重要。基于空间激光通信信息网络的实际需求世界各国围绕以同步轨道卫星为核心的激光通信网络系统的构建开展了长期研究。下面对靠前上部分国j1a及靠前组织在空间激光通信领域的典型实施案例进行简单介绍与分析。

图1.2空间激光通信链路技术示意图

-1欧洲航天局的SILEX项目-Semi-ConductorInterSatelliteLinkExperiment 半导体激光卫星间光通信链路试验

1991年欧洲航天局-EuropeanSpaceAgency ESA开展SILEX项目研究将其作为未来欧盟卫星通信网络的主体。SILEX项目目的是实现高轨道同步卫星ARTEMIS-AdvancedRelayTechnologyMissionSatellite 优xuan中继技术任务卫星与低轨道卫星SPOT-4-SystemeProbatoired’ObservationdelaTarre 地球观测系统和地面站间的激光通信。SPOT-4卫星获取的图像数据通过光通信链路传送给ARTEMIS卫星然后通过ARTEMIS卫星上Ka波段的异频雷达收发机将数据传送到位于图卢兹的地面站。整个系统仅需一个地面站即可以实现从SPOT-4卫星向远程地面站实时传送图像数据信息跨域面积较大。

SILEX项目包括两个光通信终端：法国地面观测卫星SPOT-4上的PASTEL-PASagerTELecom和装载于欧洲通信卫星阿蒂米斯-ARTEMIS上的OPALE-OpticalPayloadforInterSatelliteLinkExperiment。1998年3月22日 SPOT-4地面观测卫星的发射成功实现了SILEX项目从实验室内光学平台实验测试到卫星轨道终端研制成功的巨大进步。

图1.3SILEX系统示意图

2001年11月20日 ARTEMIS卫星上的激光通信终端OPALE与法国地面观测卫星SPOT-4上的激光通信终端PASTEL进行人类历目前的抢先发售卫星间激光通信单工链路通信试验如图1.4所示。系统发射端采用基于CaAKAs的激光器波长800nm 接收端采用APD进行探测通信速率50Mbps 通信距离45000km 通信误码率为10-9。

图1.4ARTEMIS卫星和SPOT-4卫星间激光通信示意图

-2欧洲航天局的EDRS项目-EuropeanDataRelaySystem 欧洲中继卫星系统

2016年1月30日作为SILEX系统研究成果的具体应用欧洲航天局构建的欧洲数据中继卫星系统-EuropeanDataRelaySystem EDRS的靠前颗卫星-Eutelsat-9B通信卫星在哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场发射成功。

EDRS由若干个GEO组成的卫星群构成为LEO卫星、无人机和地面站之间提供用户数据中继服务 LEO卫星将数据通过激光通信链路传输给GEO卫星 GEO卫星再采用微波链路把数据传回到地面站。该计划是世界上少有实际应用并投入运营的卫星间激光通信系统项目其初衷是通过使用LEO和中继GEO卫星间的高速激光通信链路克服了传统低轨卫星在对地传送数据方面能力的不足：有限的传输容量和较大的数据时延。该计划的目标是创造一种新的卫星服务促使空间激光通信系统的研发和实施达到成熟阶段并以商业模式运营。

EDRS系统的结构如图1.5所示工作原理如图1.6所示卫星外观如图1.7所示。系统目前包括3颗GEO卫星-EDRS-A EDRS-C EDRS-D 每个卫星都搭载激光通信终端载荷以实现同步卫星间的高速信息传输。该系统还具有低轨卫星或飞机平台与同步轨道卫星间1.8Gbit/s的数据传输速率可将低轨道卫星获取的海量数据实时不间断地通过其与该系统同步轨道卫星实时向地面站传送能力大大提高了卫星数据传输的时效性也使得同步轨道卫星、低轨道卫星、各类机载平台间高速实时激光通信的应用成为现实。

图1.5EDRS系统结构示意图-96

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