《空-地光通信大气信道特性的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《空-地光通信大气信道特性的研究（70页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 I 摘 要 随着科学技术的发展以及适合空间光通信应用的电子器件的研究技术日趋成熟，自由空间光通信以其高带宽、高码率、高保密性、低功耗等优点成为一种新型的无线通信方式。在空地通信系统中，无线光通信被认为是解决空地通信高码率“瓶颈”问题的途径。 大气激光通信采用的是大气随机信道，大气作用是大气光通信面临的最大问题。所以研究大气随机信道本身的特性和光信号在大气信道中的传输非常重要，对空地激光通信系统的设计和实现有较大的参考价值。 本文的研究内容是空地大气随机信道特性以及对无线光通信的影响。论文介绍了大气中影响光通信性能的各种因素，分析了光信号在大气中传播的能量衰减和背景噪声，重点研究了大气湍流作用
2、引起的光强闪烁，并讨论了闪烁噪声对接收信号的衰弱概率。论文中还讨论了大气信道对光信号的时间展宽和空间扩展，用光束质量来描述大气湍流对光束发散角的影响和扩展损耗。论文的最后建立了空地大气光传输信道的简化模型，对空地光通信链路的接收光信号进行仿真，对通信链路的余量进行估计，并与空地光通信试验的结果进行比较。从对比结果可以看到，论文中建立的空地大气光信道模型是合理的，为下一步的工作打下了良好的基础。 关键词：空地光通信；大气信道；光强闪烁；衰弱概率；光斑特征；模型 II A b s t r a c t Along with the development of the communication t
3、echnology, free space optical communication has become a new access of wireless communication because of its excellent characteristics such as wide bandwidth, high code rate, good secrecy and low power. It has been considered as one of the available ways to solve the bottle-neck of high code rate pr
4、oblem in the space communication systems. The atmosphere effect has an essential impact on wireless optical communication and space-to-ground optical communication. So it is important to discuss the characteristics of the atmosphere random channel and the optical propagating in the atmosphere channe
5、l. And it will be valuable to be referenced in the design of the space-to-ground optical communication system. The characteristics of atmosphere random channel and the effect to the wireless optical communication are discussed in this paper. The factors that interferes the performance of the optical
6、 links are introduced. The energy loss when the laser signal propagating through atmosphere and the background noise are also analyzed in the paper. The atmospheric turbulence and optical scintillation are emphasized. We also analyze the effect of optical scintillation on signal fade probability. Th
7、e time delay and broadened beam width are discussed and the quality of the optical beam is introduced to describe the turbulence effect on the radiation angle and the broaden loss. A model of the optical propagation on space-to-ground paths is given in the last part of the paper. Numerical simulatio
8、n of far field pattern of laser beam through atmosphere channel and the estimation of the budgets of the optical link are carried out basing on the model. The result is compared with the data of a satellite-to-ground optical communication test performed between Japanese laser communications terminal
9、 and European geostationary satellite ARTEMIS. It is shown from the comparison that the model of the atmosphere optical channel is well acceptable, which must be useful to the further works. Keywords: space-to-ground optical links; atmosphere channel; scintillation; fade probability; far field patte
10、rn; model 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分
11、内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 人类对光通信的研究起源于1870年。经过130多年的发展，光通信已经成为当今社会信息传播的最重要，最常规的手段。按照传输介质的不同，光通信系统可分为光纤通信，自由空间光通信和水下通信。其中自由空间光通信又称为光无线通信，是以光波为载体在真空和大气中传递信息的通信技术，又可分为大气光通信，卫星间光通信和星地光通信。1945年，Arthur
12、Clarke在无线电世界上的发表文章，提出了在自由空间进行光通信的设想。60年代，处在大气窗口的激光通信曾掀起了世界性的研究热潮。然而，大气中的自由空间光通信(FSO)技术，由于当时诸多客观因素，特别是大气衰减和大气湍流的不利影响，限制了它的发展。但随着对超稳激光器、新型光束控制器、高灵敏度和高数据率接收器和适合空间应用的先进通信电子设备的研究基本成熟，空间光通信以其容量大、保密性好、抗电磁干扰性强、重量轻体积小等优点，又成为下一代光通信的发展方向之一。 1.1 空间光通信发展概况 国际上激光大气通信技术的研究是综合了卫星、飞机、地面等方面进行的，从事这方面研究的主要机构在美国，日本，欧洲。
13、美国是世界上开展激光通信技术最早的国家，也是技术最前沿的国家，主要研究部门是美国国家航空和宇宙航行局(NASA)和美国空军。美国宇航局选择喷气推进实验室（JPL）于七十年代初开始空间激光通信的研究，其代表系统有激光通信演示系统LCDS(Laser Communication Demonstration System)，空对地演示系统、大气能见度监测计划等。 从80年代到1994年间，美国空军支持麻省理工学院林肯实验室建起的高速星间激光通信实验装置LITE(Laser Intersatellite Transmission Experiment)， 是世界上首次采用外差式接收方式的激光通信实验系
14、统。从1995年起，美国的弹道导弹防御组织(BMDO)实施了STRV-2实验计划验证卫星光通信技术的发展情况。1998年喷气推进实验室对其承担的光通信演示计划(OCD)进行终端系统级装配与性能测试， 用激光通信终端测定站LTES测得终端的装配与实验结果， 尤其着重测量其精密跟踪瞄准特性。美国军事侦察局于2001年发射了GEOLITE(Geosynchronous Lightweight Technology 2 Experiment)高技术演示卫星，进行激光通信试验和宽带通信试验。此外，美国空军还进行了预警机与战斗机之间的通信。同时，美国国防部资助Astro Terr公司也在进行激光通信技术的
15、研究。1996年12月还进行了飞机与地面站的光通信实验。 日本的主要研究机构是邮政省通信研究室(CRL)、宇宙开发事业团(NASDA)、高级长途通信研究所(ATR)的光学通信研究室。日本邮电部的CRL从七十年代初开始空间光通信相关技术的研究工作，主要进行卫星间的空间光束跟踪技术研究，以及地空激光通信技术的理论和实验研究，取得了满意结果。CRL从1987年开始空间光通系统(LCE-Laser Communication Equipment)的研制，该系统装载于1994年发射的EST-VI卫星上。EST-VI技术实验卫星与美国的大气观测卫星成功地进行了双向激光数字通信。同年7月又实现了卫星与地面站
16、的双向光通信，在37800km距离上实现了传输码率为1024Mbit/s，误码率106的通信。 欧洲空间局从70年代起，对空间激光通信的有关技术进行了有步骤、周密细致的研究。如进行基础技术研究的TRP计划，星间激光通信系统及技术研究的ASTP计划。从1989年起开始实施半导体激光星间链路实验SILEX(Semiconductor-laser Intersatellite Link Experiment)计划，该计划的目的是在两颗卫星间建立实验性的激光通信链路。EAS与日本宇航发展局（NASDA）于1993年达成协议，在ARTEMIS卫星和日OICETS卫星之间进行光通信实验。 不论是美国，欧洲、还是日本对卫星光通信的研究都己经进入了空间实验阶段，而且很快就要发展到实用阶段。我国卫星光通信研究与美、欧、日相比起步较晚，目前国内只有少数几个单位进行卫星光通信方面的研究工作，离实验阶段还有相当一段距离。但从现
