空间激光通信技术发展现状及展望

空间激光通信技术是未来空间宽带信息传输的主要通信技术,具有带宽高、传输快速便捷及成本低的优势,是解决信息传输"最后一千米"的最佳选择。本文旨在系统把握空间激光通信技术的发展脉络,系统梳理了国内外空间激光通信技术在星地、星间、空地、空空等链路的研究与试验验证的发展情况,总结了激光通信技术在捕获跟踪、通信收发、大气补偿和光机设计等方向的关键技术研究热点。在此基础上,面向未来需求,归纳了空间激光通信技术在高速率、网络化、多用途、一体化、多谱段5个方面的发展趋势。为进一步推动空间激光通信技术研究和产业化的发展,本文从实施基础研究计划、重视核心元器件研发、积极参与国际技术标准的制定以及引导相关产业发展4个方面提出了发展建议,以期更好地促进我国空间激光通信技术的成果转化和应用。     

基于深度学习的OFDM半相干水声通信方法

针对正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)水声通信中常用的相干和非相干通信分别面临的对多普勒敏感和频谱效率低的问题,提出一种高阶幅度键控调制的半相干通信技术,将OFDM符号时频帧结构中全部频点采用高阶幅度键控调制方式,并利用信号幅度信息完成半相干信道估计。通过两种基于深度学习的算法优化半相干信道估计这一非线性过程,较非相干通信有效提高了频谱效率,较一定信噪比下的相干通信提高了鲁棒性,降低了误比特率和系统复杂度,并利用元学习算法降低深度学习算法对训练数据的依赖。最后,提取海试信道数据,完成OFDM半相干水声通信系统仿真,验证了所提方法在频谱效率和系统误比特率性能方面较非相干和相干通信的优势,当信道长度改变时,基于元学习的算法依然可以获得较好的性能。     

激光通信中雨滴、烟雾信道相干带宽特性研究

本文选用合理的模型模拟了大气信道中雨滴、烟雾带来的相干带宽,并进行了数值计算。结果表明:对于雨滴、轻雾信道,相干带宽很宽;而对于烟雾浓度较大的信道,信道的相干带宽应引起激光大气通信的重视。     

激光通信系统性能的灰色聚类分析

激光通信系统需要评价和定量分析,且存在多个评价指标.针对评价指标的模糊性、相对性和多样性,为了对激光通信系统进行定量评价,采用灰色系统理论中的灰色聚类分析法.首先对具有模糊性和相对性的评价指标进行灰量白化,然后将激光通信系统按照聚类指标进行灰色聚类,计算不同激光通信系统所有指标的综合聚类效果,最后以聚类类型作为各系统定量评价的依据.该方法将多指标决策问题转换为单一指标决策问题,它是一种定量评价激光通信系统的新方法.     

激光干涉比长仪

1.前言在长度的精密测量中,广泛地使用着干涉仪。激光问世以后,由于它的方向性(空间相干)和单色性(时间相干)都优于以前的光源,所以激光干涉仪便因而产生。利用激光干涉仪,可以测定长达数十米的尺寸,测量精度仍在数十分之一波长(He—Ne 气体激光,     

高速数字水声通信系统的研究

远距离水下声通信可以利用的频带很窄,因此,高速水声通信系统中通常采用相干数字通信技术。由于水下声通信信道具有时变多径严重、相位起伏快等特点,成功实现高速水声通信系统的关键是研究高效、强壮的锁相环与均衡器算法。本文介绍北京邮电大学信息学院研究设计的高速数字水声通信系统方案和实现算法,并给出对实测数据的处理结果。     

白光信息处理技术及在影像保存中的应用

白光信息处理技术与激光相干光源处理系统相比,具有明显的优点：其输出没有通常相干处理系统所具有的相互噪声,调整方便,设备费用较低,因此是现代光学信息处理技术中的重要方法,并在很多方面得到了应用。本文阐明其原理,并详述其在保存彩色影片中的应用。     

复射线法及其在水声技术中的应用研究

声波是水中携带信息的最佳载体,水声技术是开展水下通信、探测等常用技术,具有较大的发展潜力。复射线法认为一个复源点的射线束,复源点与等效复源点关系和几何光学源点、等效光源关系是一致的,遵守几何光学ABCD定律,基于此学术界开展了大量基础研究。当前比较成熟的复射线法方法主要包括复射线法追踪法、复射线法近轴近似法、复合复射线法、复射线展开法等,在水声理论中复射线法技术主要用于指向性声场、计算散射场分析。近年来,有关于复射线法研究较少,特别是随着高速水声正交多载波调制(OFDM)通信系统的构建,反射法的应用领域变得十分狭窄,应将复射线法与非相干水声通信、相干水声通信、扩频水声通信相结合,以提高水声波的空间分辨率、提高波束形成算法的稳健性、提高波束形成的抗干扰能力。     

基于OSSK调制的MIMO星地激光通信上行链路系统

目的:研究光学空间移位键控(OSSK)调制的多输入多输出(MIMO)星地激光通信上行链路系统。方法:利用Malaga(M)分布表征近地面湍流光强闪烁、光束漂移、到达角起伏的联合影响。推导OSSK调制的MIMO星地激光通信上行链路误码率的闭合表达式。仿真分析信噪比、天顶角对系统误码率的影响,并且与差分相移键控、最小位移键控等传统调制进行对比,最后采用蒙特卡洛方法对仿真结果进行验证。结果:OSSK调制相较于传统调制可以在同等条件下降低约2个数量级误码率,增加接收天线可以进一步提高系统性能。为满足最低通信需求,OSSK调制可以获得更大的最大天顶角。结论:OSSK调制可以有效地优化通信性能,降低星地激光通信的成本,从而为星地激光通信系统的研究提供了有效方案。     

一种改进的相机灵敏度测试系统

空间激光通信系统以激光为载体进行数据传输,由于大气信道干扰、剧烈平台扰动、强烈大气附面层等不利影响,使得捕获探测器接收到的光斑信号非常微弱,影响通信链路的建立,对捕获探测器的灵敏度测量有助于分析和评价捕获链路建立的最远距离。在充分分析捕获链路功率的基础上搭建实验系统,用扫描振镜及CCD相机完成对其灵敏度测试实验。实验表明:当曝光时间为2 ms和0.2 ms时,相机的探测能力分别为-80.83 d Bm和-72.43 d Bm。在极限探测灵敏度下,选用高斯拟合算法进行激光光斑中心的定位计算,结果表明该算法定位精度可达0.01pixel,并且具有良好的稳定性。     

基于OFDM的大气激光通信湍流抑制关键技术研究

文章在分析无线激光通信(FSO)存在两种主要的大气信道问题的基础上,针对激光大气信道问题尤其是在复杂湍流环境下的频率选择性衰落问题和多径效应问题,提出了基于正交频分复用(OFDM)的湍流效应抑制方法,构建了FSO-OFDM系统,研究了该系统的基带模型以及信号的多载波调制与解调方法。分析了无线激光通信中存在复杂湍流环境下的大气信道问题,讨论了大气湍流影响下的平面波激光通信系统模型,建立了大气湍流影响下对数正态湍流通道的高斯光束空间光通信系统模型,推导了光波强度的概率密度函数,研究了利用信噪比概率密度函数分析各种大气湍流效应对系统性能影响的方法;设计了无线光通信系统的OFDM多载波调制方案,构建了FSO-OFDM系统基带模式模型,并基于该模型研究了其信号的调制与解调原理。最后,采用MATLAB编程实现FSO-OFDM系统,对多径干扰下的FSO通信系统进行仿真实验,进行了不同保护间隔下的误码率特性实验,验证了FSO-OFDM系统具有很强的抗多径干扰和频谱选择性衰落能力以及良好的BER性能,可有效解决码间干扰大、链路不可靠的问题,具有非常广泛的应用前景和使用价值。     

基于OptiSystem的大气激光通信系统仿真研究

针对湍流大气对自由空间激光通信系统链路带来的闪烁和漂移等不良影响,利用OptisYstem建立了采用OOK调制方式的M阵列大气激光通信系统模型,对在湍流大气扰动环境下,链路SNR和BER随距离及阵列剪改变等问题进行了较为深入的研究。通过仿真分析表明,在中强起伏情况下,湍流内尺度对系统的BER具有重要影响;SNR随阵列数M的改变具有临界的d值,研究结果为大气激光通信的实际应用提供了较为重要的参考。     

自由电子激光器的原理与应用

激光由于它的相干性好、能量高、方向性好等特点在通信、医疗、工业、军事上的应用越来越广泛。激光通常是由激光器产生的。自由电子激光是一种以在周期磁场中作振荡的相对论优质电子束作为工作物质的大功率、可调谐的相干辐射源,它的物理基础是运动的自由电子对电磁波的受激散射。由于电子不像在普通激光器中那样受原子所束缚,电子是"自由"的,故叫自由电子激光。它具有高功率、高效率、波长的大范围调谐和超短脉冲的时间结构等一系列优良特性。     

基于空时块编码和正交脉冲的MIMO系统性能研究

为了有效利用脉冲无线电(IR)的短距离、高数据速率以及多输入多输出(MIMO)通信系统的更大容量,提出了一种基于空时块编码(STBC)和正交脉冲的MIMO超宽带(UWB)通信系统。具体实现是通过对标准单输入单输出(SISO)脉冲无线电系统的直接序列超宽带作为多址(MA)技术的IR-MA信号模型以及信道模型、收发器结构和检测方法的分析,提出了一种把空时块编码和正交脉冲相结合的新方法,并采用FS-rake相干接收(CR)和非相干接收(NCR)技术及IEEE UWB信道模型对其获得的空间分集和编码性能进行了研究,从而得到可以相对较好地描述高信噪比时的性能变化趋势的理论上限值。仿真结果表明,这种STBC-IR方案相比于传统的单链路-脉冲无线电(SL-IR)方案,可获得更好的空间分集和编码增益,可用于增加传输距离和减少rake接收机的复杂性,而且在UWB通信中,STBC-IR方案还能很好地消除定时抖动的影响。     

激光通信系统中PPM调制与解调电路系统研究

本文研究了大气激光通信系统中PPM调制与解调电路系统的设计问题.建立了PPM调制与解调的数学模型,给出了实现线性调制与解调的条件以及调制深度与最大激光频率偏移之间的关系.设计了由集成电路NE555、MAX297等组成的PPM调制与解调电路系统,具有电路简单、成本低,能够很好地满足一般激光语音通信系统的技术指标要求等特点,所建立的数学模型对系统设计与工程应用具有重要的指导作用.     

激光与原子的相干性在计量测试领域中的应用进展

上世纪60年代激光刚被发现不久,其良好的相干性就被广泛用于测量设备的研制,在计量领域也以激光为工具建立了各类高水平计量标准,如米定义,几何量及运动量的基标准。半个世纪后的今天,冷原子技术使原子为代表的物质波具有良好的相干特性,它同样被立刻用于计量测试领域,法国计量院提供参与重力国际关键比对的冷原子重力仪就是最好的证明。本文以相干原理为主线,介绍了激光等电磁波在更高分辨力、更大空间范围以及更远物体的运动测量方面的进展,说明激光技术进展对动态测量领域开拓的重要引领作用,同时举例介绍了原子相干性在重力测量以及运动量动态测量中的重要作用。     

空间光通信综合参数测试用双通道望远系统

提出一种用于空间激光通信综合参数测试的双通道望远系统,长焦通道满足端机远场分布等参数的测量,无焦望远通道可用于跟瞄性能测量。分析了空间激光通信端机远场分布及跟瞄性能测试的原理,设计了一套双通道望远系统装置,该装置光学系统可分别构成离轴卡塞格林系统或离轴三镜无焦望远系统,工作谱段为800～1700nm,通光孔径为300mm。完成了系统的研制和装调,并进行了性能检测,结果表明,长焦通道波像差为0.097λ(λ=632.8nm),无焦通道波像差为0.048λ,均满足设计指标要求。     

一种新颖的四天线时空调制通信定位综合化系统

针对通信定位综合一体化的趋势和未来移动通信发展的需要,提出了一种新颖的四天线时空调制技术,设计了一种差分编码非正交四相对空调制通信定位综合化系统,该系统除具有PSK的通信能力外,还能测定用户方位,具有抗多径的潜力,最后给出了信号的调制编码,接收机的解调与载波恢复,方位角估计等关键问题的解决方案,分析了在高斯信道下的差分解调和相干解调的误码率和方位角的测量精度。     

基于VBLAST的水声MIMO高速通信技术研究

为实现高速水下通信,提出了一种基于VBLAST（贝尔实验室垂直分层空时）编码的水声MIMO（多输入多输出）通信技术。该技术通过在发射端和接收端同时采用多个阵元进行多发多收,借助空间复用,可有效解决水下通信系统带宽资源缺乏的难题,使系统在不增加带宽的条件下成倍提高数据传输速率。在水声MIMO通信系统的接收端,提出采用带有二阶数字锁相环、基于自适应空时判决反馈均衡的相干解调技术。该技术可有效克服水声MIMO信道中的多径干扰及同频干扰,且能自适应跟踪信道变化。仿真及湖试结果证明了所提水声MIMO高速通信技术的良好性能。     

激光相干阵列成象雷达系统光束整形的研究

激光相干阵列成象雷达系统中本振光波前与信号光波前匹配与否直接影响系统的灵敏度和分辨力。采用共轭光栅合成技术对相干成象本振光束作整形处理，以适应探测器件列及合成输出满足最佳信噪比条件。