基於偏振移位鍵控的大氣激光通信關鍵技術劉智 9787030569509 科學齣版社下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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劉智著

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齣版社：科學齣版社

ISBN：9787030569509

商品編碼：29240258275

齣版時間：2017-12-15

圖書描述

書名	基於偏振移位鍵控的大氣激光通信關鍵技術
定價	78.00
ISBN	9787030569509
齣版社	科學齣版社
作者	劉智
編號	1201687755
齣版日期	無
印刷日期	2018-03-01
版次	1
字數	200韆字
頁數	152

目錄
前言
D11章緒論1
1.1研究背景1
1.2研究目的與意義2
1.3國內外研究現狀3
1.3.1空間激光通信技術研究與應用概況3
1.3.2激光偏振調製技術相關研究與應用國外研究概況21
1.3.3激光偏振調製技術相關研究與應用國內研究概況27
1.4主要內容及結構安排31
D12章基於偏振移位鍵控的大氣激光通信係統原理35
2.1引言35
2.2基於偏振移位鍵控的大氣激光通信係統的組成36
2.3CPolSK調製在大氣激光通信係統中的優勢39
2.3.1通信係統收發端無需坐標軸對準39
2.3.2調製信號抗乾擾性強42
2.4基於PolSK的大氣激光通信係統的關鍵技術46
2.5本章小結49
D13章激光信號偏振移位鍵控調製技術51
3.1引言51
3.2激光偏振特性描述52
3.2.1光波偏振態52
3.2.2光波偏振度54
3.3偏振移位鍵控技術原理55
3.4大氣激光通信係統中的強度調製與偏振調製性能比較57
3.4.1各種激光強度調製方式介紹57
3.4.2調製方式性能分析59
3.5基於鈮酸鋰晶體的偏振態調製技術65
3.6本章小結69
D14章大氣信道中GSM光束的偏振傳輸特性70
4.1引言70
4.2大氣信道的湍流效應71
4.2.1大氣湍流的形成71
4.2.2大氣摺射率結構常數74
4.2.3大氣摺射率起伏功率譜密度76
4.3大氣湍流對激光傳輸的影響77
4.4部分相乾、部分偏振的GSM光束偏振傳輸特性研究78
4.4.1相乾性和偏振性統一理論78
4.4.2GSM光束在湍流環境中的傳輸公式79
4.4.3GSM光束在湍流環境傳輸的偏振特性研究82
4.5湍流環境激光偏振傳輸特性半實物仿真研究88
4.5.1大氣湍流模擬裝置介紹89
4.5.2湍流環境激光偏振傳輸特性半實物仿真係統組成90
4.5.3半實物仿真結果分析92
4.6本章小結95
D15章基於CPolSK的大氣激光通信係統半實物仿真96
5.1引言96
5.2偏振移位鍵控係統與OOK係統性能對比96
5.2.1偏振移位鍵控與OOK通信係統構建96
5.2.2性能分析98
5.3高速CPolSK通信係統的仿真研究103
5.4基於CPolSK的大氣激光通信係統半實物仿真研究106
5.5本章小結108
D16章基於液晶可變相位延遲器的偏振激光源110
6.1引言110
6.2影響激光器輸齣光束偏振特性改變的因素及對PolSK係統的影響111
6.2.1影響激光器輸齣光束偏振特性改變的因素分析111
6.2.2激光源輸齣光束偏振特性改變對CPolSK係統性能的影響114
6.3基於液晶可變相位延遲器的偏振激光源117
6.3.1基於液晶可變相位延遲器的偏振激光源係統組成及工作原理117
6.3.2基於液晶可變相位延遲器的偏振激光源性能測試119
6.4基於液晶的激光偏振參數控製技術121
6.4.1液晶的電控雙摺射效應122
6.4.2基於液晶的光波偏振態控製技術123
6.5傅裏葉分析法激光偏振參數測量技術126
6.5.1激光偏振特性的斯托剋斯參量錶徵126
6.5.2傅裏葉分析法偏振參數測量126
6.6本章小結129
D17章相乾度精Q可控的部分相乾激光源131
7.1引言131
7.2部分相乾光基本理論131
7.2.1空間-時間域互相乾函數131
7.2.2空間-頻率域的交叉譜密度函數132
7.2.3空間-頻率域的交叉譜密度矩陣132
7.2.4GSM光束133
7.3GSM光束産生實驗原理134
7.3.1毛玻璃法134
7.3.2空間光調製器法135
7.4GSM光束生成實驗係統137
7.4.1實驗係統原理框圖137
7.4.2GSM光束的生成137
7.4.3光束相乾度檢測138
7.5本章小結139
D18章結束語140
8.1主要研究內容140
8.2主要創新點143
8.3未來展望143
參考文獻145
附錄150

1、在靠前外相關研究成果基礎上針對空間激光通信應用引入偏振移位鍵控技術係統地研究瞭基於偏振移位鍵控的大氣激光通信係統組成及工作原理；並對圓偏振移位鍵控-CirclePolarizationShiftKeying,CPolSK調製信號應用於大氣激光通信係統中所具有的獨特優勢進行具體分析。

靠前章緒論

1.1研究背景

根據信號的傳輸信道特性可將通信分為有綫通信和無綫通信其中有綫通信可分為明綫通信、電纜通信和光縴通信而無綫通信根據工作頻段的不同又可分為微波通信和光通信。為滿足21世紀信息多元化的要求信息與通信技術的飛速發展已經超過瞭人們的預期。現代社會信息量日益膨脹對信息交換的容量、信息傳輸的實時性、速率、保密性、抗乾擾性等提齣瞭更高的要求。為解決目前齣現的微波通信頻帶擁擠、資源匱乏問題自由空間光通信-FreeSpaceOpticalCommunication FSO 又稱作無綫光通信作為一種新興通信方式應運而生。它以激光光波作為信息載體大氣信道作為主要傳輸介質的光通信係統實現遠距離無綫通信。它有效地結閤瞭微波通信與光縴通信的雙重優點滿足大通信容量、高速率通信的要求且無需鋪設光縴同時具有成本低、靈活性好、抗乾擾能力強的優點。因此近年來世界各國紛紛嚮空間光通信領域投入大量的人力、物力並取得大量研究成果。

自由空間光通信係統中的通信範圍所指的是廣義的空間所以其涵蓋的範圍廣泛如局域網連接、“很後一公裏接入”、衛星間通信、衛星-地麵通信、臨近空間-地麵通信、衛星-飛機通信等領域。通過在不同平颱間建立通信鏈路可構成整個空間光通信網絡體係能夠為各種應用場景提供高速、便捷、保密的信息傳輸服務。如圖1.1所示。

圖1.1自由空間光通信網絡體係

但是當空間激光通信係統發射的激光信號通過大氣信道傳輸時激光信號會與大氣中的氣溶膠、水蒸汽等微粒相互作用形成大氣吸收與散射效應。這些效應會引起係統接收端信號功率降低、激光光斑彌散等效果很終影響係統通信性能。大氣信道中的湍流現象還會引起激光發生光強閃爍、光束擴展和漂移、到達角起伏等湍流效應這些效應會嚴重影響在大氣信道中傳輸的激光光束質量綜閤影響整個光通信係統導緻空間光通信係統總體性能的下降。

為剋服以上因素的影響有效提升空間光通信的傳輸性能滿足高速率、遠距離、低誤碼率的要求在設計大氣激光通信係統時有必要采取有效措施來避免或者降低激光信號傳輸過程中受大氣湍流等效應的影響。美國、德國、法國、日本等國j1a都已開展自由空間光通信方麵的研究多年在抑製大氣信道影響方麵取得瞭較多成果；但截至目前大氣信道環境的影響仍是阻礙自由空間光通信嚮更高速率、更遠距離、更低誤碼率方嚮發展的主要因素。

基於上述背景本書立足我國目前空間激光通信技術的研究現狀對偏振移位鍵控調製技術及基於偏振移位鍵控的大氣激光通信中的關鍵技術展開研究並通過理論分析、數值仿真和半實物仿真實驗研究相結閤的方法對基於偏振移位鍵控的大氣激光通信關鍵技術及其關鍵技術進行深入的研究探索提高大氣激光通信性能的新方法和新手段為實現低成本、高性能的大氣激光通信提供有力的理論和實驗基礎。

1.2研究目的與意義

現代社會信息的日益膨脹和復雜化迫使信息傳輸容量劇增對信息交換的容量、信息傳輸的實時性、信息速率、保密性、抗乾擾性等提齣瞭更高的要求。微波通信逐漸齣現頻帶擁擠、資源缺乏的問題開發大傳輸容量、高通信速率的無綫通信係統成為未來空間通信發展的主要趨勢。激光通信技術以激光作為載波通過對激光的某一特性進行調製來完成數據信息傳輸、信息交換的過程。激光因其具有微米量級或更短的波長特性使得頻帶較寬可提供較高的數據傳輸速率；激光光束發散角很小有很強的指嚮性使得信號光束很難被截獲能有效提高通信安全。

傳統的激光通信係統一般采用強度調製、頻率調製或者相位調製在光譜域和頻域進行處理。激光信號在大氣信道傳輸過程中不可避免地會受到大氣湍流、擾動和背景光噪聲等因素的影響從而導緻係統的可靠性降低。已有研究顯示激光的偏振態是攜帶信息的又一理想載體其優越性體現在它是電磁場性質更全麵、更深層次的描述對偏振的控製與探測實際上是對錶徵電磁場性質的激光特性參數的綜閤利用。其優勢有：

-1錶徵偏振態的橢圓率角和方位角等信息隨光的傳播而滿足一定的演化規律按照這些規律可反演齣光在傳播過程中所經曆的調製、變換作用進而對傳輸過程中光波偏振性能的變化進行修正；

-2與激光強度調製技術相比利用激光偏振調製技術進行信息的編碼與傳輸可以大大減少激光信號在大氣信道中傳輸所受到的不利影響減小誤碼率提高通信準確率且編碼與解碼方法簡單、易於實現；

-3激光偏振態的調製與解調技術已在光縴通信中得到廣泛應用其偏振參數的測量方法與技術手段相對比較成熟；

-4偏振移位鍵控-PolarizationShiftKeying PolSK是一種利用光波的偏振態進行編碼的調製技術該技術采用不同偏振態來錶示邏輯信號“0”和“1” 實現激光的編碼通信過程。

由於偏振移位鍵控編碼的激光信號具有良好的功率均衡性即傳輸不同數據符號時的激光信號功率相同因此可有效解決功率波動問題降低通信係統的非綫性效應提高譜效率。因此對基於偏振移位鍵控的偏振編碼技術的研究將為提高空間光通信係統綜閤性能提供新方法與新途徑具有重要的應用前景。

1.3靠前外研究現狀

1960年在美國誕生瞭世界上靠前颱紅寶石激光器自此後不久人們即開始嘗試利用激光進行無綫通信。20世紀80年代大氣激光通信掀起研究熱潮世界各國紛紛開展相關研究。但是受當時技術條件和元器件的限製通信效果較差。近十幾年來隨著半導體激光器及其相關技術的快速發展大量關鍵技術和器件被突破如半導體激光器技術快速高精度指嚮、捕獲、跟蹤-PAT技術大氣湍流效應及補償技術窄綫寬大功率激光調製發射技術低噪聲光放大技術和高靈敏度DPSK/BPSK/QPSK光接收技術等空間激光通信再度引起各國政府的重視並逐漸引入到實際應用中。

1.3.1空間激光通信技術研究與應用概況

目前美國、日本、歐洲是開展激光通信試驗研究的主要國j1a和地區它們廣泛開展空間激光通信鏈路理論研究、原理樣機研製、地麵和通信演示驗證等工作涉及衛星與衛星間、衛星與飛機間以及衛星與地麵間等多種形式的通信鏈路並且各自都依托天文觀測站建立瞭相應的地麵激光通信站建立瞭比較全麵的檢測與評估體係。

圖1.2為目前已經開展的空間激光通信鏈路技術示意圖。從同步軌道衛星、中軌道衛星和低軌道衛星以及臨近空間浮空平颱、飛機、地麵站等都已經開展瞭激光通信鏈路技術試驗驗證初步建立起立體化空間通信網絡的框架。從該圖可以看齣同步軌道衛星的中繼作用很好明顯和重要。基於空間激光通信信息網絡的實際需求世界各國圍繞以同步軌道衛星為核心的激光通信網絡係統的構建開展瞭長期研究。下麵對靠前上部分國j1a及靠前組織在空間激光通信領域的典型實施案例進行簡單介紹與分析。

圖1.2空間激光通信鏈路技術示意圖

-1歐洲航天局的SILEX項目-Semi-ConductorInterSatelliteLinkExperiment 半導體激光衛星間光通信鏈路試驗

1991年歐洲航天局-EuropeanSpaceAgency ESA開展SILEX項目研究將其作為未來歐盟衛星通信網絡的主體。SILEX項目目的是實現高軌道同步衛星ARTEMIS-AdvancedRelayTechnologyMissionSatellite 優xuan中繼技術任務衛星與低軌道衛星SPOT-4-SystemeProbatoired’ObservationdelaTarre 地球觀測係統和地麵站間的激光通信。SPOT-4衛星獲取的圖像數據通過光通信鏈路傳送給ARTEMIS衛星然後通過ARTEMIS衛星上Ka波段的異頻雷達收發機將數據傳送到位於圖盧茲的地麵站。整個係統僅需一個地麵站即可以實現從SPOT-4衛星嚮遠程地麵站實時傳送圖像數據信息跨域麵積較大。

SILEX項目包括兩個光通信終端：法國地麵觀測衛星SPOT-4上的PASTEL-PASagerTELecom和裝載於歐洲通信衛星阿蒂米斯-ARTEMIS上的OPALE-OpticalPayloadforInterSatelliteLinkExperiment。1998年3月22日 SPOT-4地麵觀測衛星的發射成功實現瞭SILEX項目從實驗室內光學平颱實驗測試到衛星軌道終端研製成功的巨大進步。

圖1.3SILEX係統示意圖

2001年11月20日 ARTEMIS衛星上的激光通信終端OPALE與法國地麵觀測衛星SPOT-4上的激光通信終端PASTEL進行人類曆目前的搶先發售衛星間激光通信單工鏈路通信試驗如圖1.4所示。係統發射端采用基於CaAKAs的激光器波長800nm 接收端采用APD進行探測通信速率50Mbps 通信距離45000km 通信誤碼率為10-9。

圖1.4ARTEMIS衛星和SPOT-4衛星間激光通信示意圖

-2歐洲航天局的EDRS項目-EuropeanDataRelaySystem 歐洲中繼衛星係統

2016年1月30日作為SILEX係統研究成果的具體應用歐洲航天局構建的歐洲數據中繼衛星係統-EuropeanDataRelaySystem EDRS的靠前顆衛星-Eutelsat-9B通信衛星在哈薩剋斯坦的拜科努爾航天發射場發射成功。

EDRS由若乾個GEO組成的衛星群構成為LEO衛星、無人機和地麵站之間提供用戶數據中繼服務 LEO衛星將數據通過激光通信鏈路傳輸給GEO衛星 GEO衛星再采用微波鏈路把數據傳迴到地麵站。該計劃是世界上少有實際應用並投入運營的衛星間激光通信係統項目其初衷是通過使用LEO和中繼GEO衛星間的高速激光通信鏈路剋服瞭傳統低軌衛星在對地傳送數據方麵能力的不足：有限的傳輸容量和較大的數據時延。該計劃的目標是創造一種新的衛星服務促使空間激光通信係統的研發和實施達到成熟階段並以商業模式運營。

EDRS係統的結構如圖1.5所示工作原理如圖1.6所示衛星外觀如圖1.7所示。係統目前包括3顆GEO衛星-EDRS-A EDRS-C EDRS-D 每個衛星都搭載激光通信終端載荷以實現同步衛星間的高速信息傳輸。該係統還具有低軌衛星或飛機平颱與同步軌道衛星間1.8Gbit/s的數據傳輸速率可將低軌道衛星獲取的海量數據實時不間斷地通過其與該係統同步軌道衛星實時嚮地麵站傳送能力大大提高瞭衛星數據傳輸的時效性也使得同步軌道衛星、低軌道衛星、各類機載平颱間高速實時激光通信的應用成為現實。

圖1.5EDRS係統結構示意圖-96

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