u l i ii l l l1 1 1 1 1 1i llu l li il y 2 12 5 4 7 5 u n i v e r s i t yo f sc i e n c ea n d t e c h n o l o g y o fc h i n a ad i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r ，sd e g r e e r e s e a r c ho ft h es i m u l a t i o n f o r s a t e l l i t e - - t o - g r o u n dl a s e r c0 mmuic a t i ) nlikilsi gci-len c a t0nnkusncr c l e p o l a r i z a t i o ns h i f tk e y i n g m o d u l a t i o n a u 坊o r sn a m e ：r i z h a ol i n s p e c i a l i t y ：s y s t e ma n ds i m u l a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f z h o n g q i a nf u f i n i s h e dt i m e ： m a y9 m ，2 0 12 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行研究工作所取得的成 果。除已特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含任何他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫 過的研究成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確 的說明。 作者簽名：幽簽字日期：塑壘：，聲9 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文授權(quán)使用聲明 作為申請(qǐng)學(xué)位的條件之一，學(xué)位論文著作權(quán)擁有者授權(quán)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)擁 有學(xué)位論文的部分使用權(quán)，即：學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交 論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱，可以將學(xué)位論文編入中國(guó)學(xué) 位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)等有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制 手段保存、匯編學(xué)位論文。本人提交的電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。 保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。 曰：公開口保密( 年) 作者簽名： 料日列 簽字日期：絲! 蘭：蘭：至! 導(dǎo)師簽名： 簽字日期：衄壘：! 蘭立 摘要 摘要 相對(duì)于微波通信，激光通信具有數(shù)據(jù)率高、容量大、終端體積小、重量輕、 功耗低、抗電磁干擾和保密性好等優(yōu)點(diǎn)，因而星地激光通信是今后星地間大容量 保密通信最具競(jìng)爭(zhēng)力的可選方案之一。由于大氣因素，尤其是大氣湍流，造成了 光束漂移、擴(kuò)展和閃爍等現(xiàn)象，嚴(yán)重破壞了光束傳輸質(zhì)量，降低通信系統(tǒng)的可靠 性。為此，諸如孔徑平滑、多孔徑發(fā)射、自適應(yīng)光學(xué)、波長(zhǎng)分集技術(shù)等方案被應(yīng) 用于降低湍流的影響，但這些方案在系統(tǒng)復(fù)雜性、成本等方面存在一些問題。因 此，可靠性高、成本低的方案成為迫切需求。 光在大氣傳輸時(shí)，偏振態(tài)是最穩(wěn)定的特性之一。利用這個(gè)特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者 以偏振態(tài)作為調(diào)制參數(shù)，進(jìn)行了基于偏振移位鍵控調(diào)制的近地面自由空間光通信 研究。本文以星地激光通信為背景，提出一種圓偏振移位鍵控( c i r c l ep o l a r i z a t i o n s h i f tk e y i n g c p o l s k ) 調(diào)制方案，并通過仿真手段分析星地激光通信c p o l s k 調(diào) 制的誤碼率優(yōu)勢(shì)。本文主要工作如下： 首先，以圓偏振基模高斯光為通信光束模型，分析它在湍流大氣傳輸時(shí)的偏 振態(tài)退偏特性。在理論分析偏振態(tài)退偏時(shí)，結(jié)合m a x w e l l 波動(dòng)方程和v o nk a r m a n 大氣折射率起伏功率譜密度函數(shù)，推導(dǎo)了偏振度的退偏均值計(jì)算公式，并分析了 偏振角的退偏情況。最后，數(shù)值模擬了具體鏈路條件下偏振度的退偏均值與湍流 因素的關(guān)系。 其次，在偏振態(tài)退偏和線偏振移位鍵控調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種c p o l s k 調(diào)制方案。該調(diào)制是一種數(shù)字二進(jìn)制調(diào)制，在發(fā)射端分別將信息“0 ”和“1 ”調(diào) 制到左、右旋圓偏振光上，在接收端檢測(cè)圓偏振光的斯托克斯矢量的參量s ， 從而解調(diào)出所傳輸?shù)男畔?。誤碼率作為通信系統(tǒng)最重要的指標(biāo)之一，文中結(jié)合實(shí) 際星地激光通信必須考慮的各種損耗和湍流效應(yīng)，推導(dǎo)了上、下行鏈路的誤碼率 計(jì)算公式。 最后，設(shè)計(jì)了基于v i s u a ls t d i o2 0 0 5 平臺(tái)的c p o l s k 調(diào)制誤碼率仿真系統(tǒng)。 結(jié)合具體的鏈路條件，仿真分析了近地面折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、地面風(fēng)速、通信天頂 角、湍流內(nèi)尺度、外尺度五個(gè)大氣湍流因素影響下c p o l s k 調(diào)制的誤碼率性能。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：相對(duì)于開關(guān)鍵控( o n o f fk e y i n g ，o o k ) 調(diào)制，c p o l s k 調(diào)制具 有低誤碼率優(yōu)勢(shì)，為c p o l s k 調(diào)制的實(shí)際應(yīng)用提供了指導(dǎo)意見。 關(guān)鍵詞：星地激光通信圓偏振態(tài)偏振移位鍵控退偏大氣湍流誤碼率 摘要 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r e & r es o m ea d v a n t a g e sf o rt h el a s e rc o m m u n i c a t i o nc o m p a r e st ot h e m i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o n ，s u c ha sh i g hd a t ar a t e ，l a r g ec a p a c i t y , s m a l la n dl i g h t t e r m i n a l ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n de x c e l l e n t s e c u r i t y , e t c t h u s ，i ti so n e o ft h em o s tc o m p e t i t i v eo p t i o n sf o rt h eh i g h - c a p a c i t ya n d s e c u r ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h es a t e l l i t ea n dt h eg r o u n ds t a t i o ni nt h ef u t u r e d u e t ot h ea t m o s p h e r e ，e s p e c i a l l yt h ea t m o s p h e r i ct u r b u l e n c e ，c a u s e i n gt h eb e a mw a n d e r , t h eb e a ms p r e a d i n g ，t h es c i n t i l l a t i o na n de t c ，w h i c hs e r i o u s l yd a m a g et h eb e a m q u a l i t ya n dr e d u c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e r e f o r e , s o m e m e a s u r e sa r et a k e nt or e d u c et h ee f f e c t so ft h ea t m o s p h e r i ct u r b u l e n c e ，s u c ha s a p e r t u r ea v e r a g i n g ，m u l t i a p e r t u r el a u n c h i n g ，a d a p t i v eo p t i c s ，w a v el e n g t hd i v e r s i t y t e c h n i q u e sa n ds oo n h o w e v e r , t h e s e m e a s u r e sh a v es o m ed i s a d v a n t a g eo nt h e s y s t e mc o m p l e x i t i e sa n dt h ec o s t ，e c t t h e r e f o r e ，t h eh i g hr e l i a b i l i t ya n dl o w _ c o s t s o l u t i o n sa r et h eu r g e n tn e e d s t h ep o l a r i z a t i o ns t a t ei so n eo ft h em o s ts t a b l ec h a r a c t e r i s t i c so fl i g h tw h i l ei t p r o p a g a t e si nt h ea t m o s p h e r e r e s e a r c h e r sa th o m ea n da b r o a dh a v e t r i e dt oe m p l o y t h ep o l a r i z a t i o ns h i f t k e y i n gt e c h n o l o g y t ot h en e a r - g r o u n df r e e 。s p a c e o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，w h i c hm a k e su s eo ft h ep o l a r i z a t i o ns t a t eo fl i g h ta st h em o d u l a t i o n p a r a m e t e r s t h i sp a p e rp r o p o s e d ac i r c l e p o l a r i z a t i o n s h i f tk e y i n g ( c p o l s k ) m o d u l a t i o nt e c h n i q u ef o rm es a t e l l i t et og r o u n dl a s e rc o m m u n i c a t i o n s i m u l a t i o n s w e r em a d et oa n a l y z eo fi t sb i te r r o rr a t ep e r f o r m a n c e t h em a i nc o n t e n t so ft h i s p a p e rw e r e a sf o l l o w s ： f i r s t l y , i tt o o kt h ec i r c u l a rp o l a r i z e df u n d a m e n t a lm o d eg a u s s i a nb e a ma st h e l i g h tm o d e la n da n a l y z e do fi t sd e p o l a r i z a t i o nw h i l ep r o p a g a t i n gi n t h et u r b u l e n t a t m o s p h e r e i na n a l y z i n go ft h ed e p o l a r i z a t i o n ，t h em a x w e l lw a v ee q u a t i o na n dt h e v o nk a r m a np o w e rs p e c t r a ld e n s i t yw e r eu s e dt od e r i v em et l l em e a nd e p o l a r i z a t i o n o ft h ep o l a r i z a t i o nd e g r e e ，a n dt h ed e p o l a r i z a t i o no ft h ep o l a r i z a t i o na n g l ew a sa l s o c o n s i d e r e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n su n d e rs p e c i f i cc o n d i t i o n sw e r em a d et of i n do u t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em e a nd e p o l a r i z a t i o no ft h ep o l a r i z a t i o nd e g r e ea n dt h e t u r b u l e n c e f a c t o r s s e c o n d l y ，t h ec p o l s km o d u l a t i o nt e c h n i q u ew a sp r o p o s e db a s e s d o nt h e d e p o l a r i z a t i o nk n o w l e d g ea n d t h el i n e a r p o l a r i z a t i o n s h i f t k e y i n gm o d u l a t i o n t e c h n i q u e t h e 缸c p o l s km o d u l a t i o nw a sad i g i t a lb i n a r ym o d u l a t i o n ，i tu s e dt h e t i t a b s t r a c t l e f to rr i g h tc i r c u l a rp o l a r i z e dl i g h to nb e h a l fo ft h ei n f o r m a t i o n ”0 ”o r ”1 ”a tt h e t r a n s m i t t e ra n dd e t e c t e dt h ep a r a m e t e rs 3o ft h es t o k e s v e c t o ro ft h ec i r c u l a rp o l a r i z e d l i g h tt od e m o d u l a t et h et r a n s m i t t e di n f o r m a t i o n sa tt h er e c e i v e r t h eb i te r r o rr a t e p e r f o r m a n c ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n d i c a t o r so fac o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， t h e r e f o r et h eb i te r r o rr a t ef o r m u l a sf o rt h eu p l i n ka n dd o w nl i n kw e r ed e r i v e db y t a k i n gi n t oa c c o u n to ft h ev a r i o u sl o s s e sa n dt u r b u l e n c ee f f e c t ss u f f e rf r o mt h ea c t u a l s a t e l l i t et og r o u n dl a s e rc o m m u n i c a t i o n f i n a l l y , ac p o l s km o d u l a t i o nb i te r r o rr a t es i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nt h e v i s u a ls t d i o2 0 0 5p l a t f o r mw a sd e s i g n t h e n ，t h es i m u l a t i o nw e r em a d et oa n a l y z e d o ft h eb i te r r o rr a t ep e r f o r m a n c eo ft h ec p o l s km o d u l a t i o nu n d e rf i v et u r b u l e n c e f a c t o r s ，w h i c hw e r et h en e a r - g r o u n dr e f r a c t i v ei n d e xs t r u c t u r ec o n s t a n t ，t h eg r o u n d w i n ds p e e d ，t h ez e n i t h a n g l e ，t h e t u r b u l e n c ei n n e rs c a l ea n do u t e rs c a l e t h e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h ec p o l s km o d u l a t i o nh a db e t t e rb i te r r o rr a t e p e r f o r m a n c ec o m p a r e dt ot h eo o km o d u l a t i o n i tc o u l dp r o v i d eg u i d a n c ef o rt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h ec p o l s km o d u l a t i o n k e yw o r d s ：s a t e l l i t et og r o u n dl a s e rc o m m u n i c a t i o n ，c i r c u l a rp o l a r i z a t i o ns t a t e ， p o l a r i z a t i o ns h i f tk e y i n g , d e p o l a r i z a t i o n ，a t m o s p h e r i ct u r b u l e n c e ，b i te r r o rr a t e i v 目錄 目錄 摘要- i a b s t r a c t i i i 目錄v 第一章緒論1 1 1 課題研究背景和意義1 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀3 1 3 課題研究?jī)?nèi)容與論文結(jié)構(gòu)安排4 1 3 1 研究?jī)?nèi)容4 1 3 2 內(nèi)容安排5 第二章基本概念介紹7 2 1 大氣基本概念7 2 1 1 大氣衰減7 2 1 1 1 大氣吸收7 2 1 1 2 大氣散射9 2 1 2 湍流效應(yīng)9 2 1 2 1 大氣湍流與折射率起伏9 2 1 2 2 光束漂移1 1 2 1 2 3 光束擴(kuò)展1 l 2 1 2 4 光強(qiáng)閃爍1 2 2 2 偏振光學(xué)基本概念1 4 2 2 1 偏振光及偏振態(tài)1 4 2 2 2 偏振光的描述1 5 2 2 2 1 瓊斯矢量法1 5 2 2 2 2斯托克斯矢量法1 6 2 2 3 偏振度1 6 2 3 本章小結(jié)一1 7 v 目錄 第三章湍流大氣傳輸中的偏振態(tài)退偏1 9 3 1 偏振態(tài)退偏分析背景1 9 3 2 圓偏振基模高斯光模型2 0 3 。3 偏振態(tài)退偏分析2 1 3 2 1 偏振度退偏2 2 3 2 2 偏振角退偏2 8 3 4 數(shù)值模擬2 9 3 5 本章小結(jié)3 2 第四章圓偏振移位鍵控調(diào)制系統(tǒng)3 5 4 1 調(diào)制與解調(diào)原理簡(jiǎn)述3 5 4 2 調(diào)制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)3 6 4 2 1 發(fā)射端模型3 6 4 2 2 接收端模型3 8 4 3 誤碼率性能分析4 1 4 3 1 下行鏈路誤碼率4 3 4 3 2 上行鏈路誤碼率4 4 4 4 本章小結(jié)4 5 第五章仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬4 7 5 1 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)4 7 5 1 i 仿真系統(tǒng)框架4 8 5 。1 2 仿真總體流程4 8 5 1 3 模塊功能和接口4 9 5 i 3 i 系統(tǒng)誤碼率計(jì)算模塊4 9 5 i 3 2 接收功率計(jì)算模塊4 9 5 1 3 3 空間損耗分析模塊5 0 5 1 3 4 瞄準(zhǔn)偏差分析模塊5 l 5 1 3 5 大氣衰減分析模塊5 l 5 1 3 6 退偏分析模塊5 2 5 1 3 7 中間參數(shù)計(jì)算模塊5 3 5 2 數(shù)值模擬5 4 5 2 1 仿真參數(shù)5 5 v t 目錄 5 2 2 下行鏈路仿真結(jié)果與分析5 6 5 2 2 1 湍流起伏強(qiáng)弱下的誤碼率對(duì)比5 6 5 2 2 2 湍流因素對(duì)誤碼率的影響：5 6 5 2 3 上行鏈路仿真結(jié)果與分析6 0 5 2 3 1 湍流起伏強(qiáng)弱下的誤碼率對(duì)比6 0 5 2 3 2 湍流因素對(duì)誤碼率的影響6 1 5 3 本章小結(jié)6 4 第六章總結(jié)與展望6 7 6 1 總結(jié)6 7 6 2 展望6 8 參考文獻(xiàn)6 9 致謝7 7 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的其他研究成果7 9 v i i 目錄 第一章緒論 1 1 課題研究背景和意義 第一章緒論 隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息量急劇增長(zhǎng)。人們要求通信的容量更 大、業(yè)務(wù)種類更廣，通信質(zhì)量更高，這在大容量星地信息傳輸技術(shù)方面表現(xiàn)得尤 為緊迫。由于當(dāng)前星地信息傳輸技術(shù)主要是衛(wèi)星微波通信技術(shù)，而其受限于頻帶 寬度、衛(wèi)星的重量、體積、功耗和成本等因素，因而衛(wèi)星微波通信在擴(kuò)展通信容 量、提高傳輸速率等方面面臨一些問題。而激光通信具有容量大、數(shù)據(jù)率高等優(yōu) 點(diǎn)【1 。3 】，它是今后星地之間進(jìn)行大容量保密通信最具競(jìng)爭(zhēng)力的可選方案之一 4 1 。 星地激光通信是一種以激光束作為信息載體實(shí)現(xiàn)地面站與衛(wèi)星之間的光通 信技術(shù)。相對(duì)于衛(wèi)星微波通信，激光通信具有以下優(yōu)點(diǎn)：( 1 ) 激光光波頻率比微 波頻率高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，帶寬達(dá)到t h z 5 1 ，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到5 6 g b i t s e 3 】；( 2 ) 激光通信使用小口徑發(fā)射天線就可以獲得很高的增益，在很大程度上降低了發(fā)射 功率的要求【6 】；( 3 ) 激光光束通常非常窄，因此安全性比較好；( 4 ) 激光通信系統(tǒng) 的終端重量輕、體積小、功耗低，節(jié)約發(fā)射成本【_ 7 】；( 5 ) 抗電磁干擾，不需要無(wú) 線電頻率使用許可，保密性強(qiáng)【8 】。因此，星地激光通信技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前的一個(gè) 熱門研究方向，受到世界各國(guó)和各地區(qū)的重視。 由于大氣層的存在，激光束在大氣信道中傳輸時(shí)，激光束要受到大氣吸收、 衰減作用，特別是大氣湍流效應(yīng)。由大氣湍流造成的光束擴(kuò)展、光強(qiáng)閃爍、光束 漂移等現(xiàn)象，破壞了光束傳輸質(zhì)量，從而降低了星地激光通信系統(tǒng)的可靠性，制 約了星地激光通信技術(shù)的發(fā)展。因此，如何降低大氣湍流的影響，提高通信系統(tǒng) 的可靠性，一直是星地激光通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 為了降低大氣湍流對(duì)星地激光通信系統(tǒng)的影響，各國(guó)研究者進(jìn)行了大量的研 究，例如：( 1 ) 1 9 9 9 年美國(guó)c e n t r a lf l o r i d a 大學(xué)a n d r e w s 教授等【9 1 、2 0 0 7 年中國(guó)科 學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所馬曉珊等【lo 】采用孔徑平滑方法降低大氣閃爍影 響，但孔徑平滑方法在增大接收孔徑的同時(shí)也會(huì)增加衛(wèi)星終端的體積和重量。( 2 ) 2 0 0 7 年，美國(guó)a r i z o n a 大學(xué)a n g u i t a 等【1 1 】利用多孔徑發(fā)射原理降低光強(qiáng)閃爍方差的 影響，但它要求滿足以下條件 1 2 - 1 3 】：各發(fā)射器之間保持一定合理的距離并保證各 光束在接收平面上能相互重疊。( 3 ) 1 9 9 8 年中國(guó)科學(xué)院成都光電技術(shù)研究所成功 研$ 1 j 6 1 單元自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)【1 4 1 ，可以有效降低接收的光強(qiáng)起伏。2 0 0 4 年，美國(guó) m 刪l 孤d 大學(xué)w e y r a u c h 等【1 5 】利用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)補(bǔ)償大氣湍流波前畸變，但強(qiáng) 烈的光強(qiáng)閃爍會(huì)致使光場(chǎng)出現(xiàn)相位分支點(diǎn)，造成波前探測(cè)與重構(gòu)的困難 ”，1 5 】。 1 第一章緒論 ( 4 ) 2 0 0 5 年，美國(guó)m a r y l a n d 大學(xué)t r i s o l l 等【1 6 】采用波長(zhǎng)分集技術(shù)，通過同時(shí)傳輸 幾個(gè)不同波長(zhǎng)的激光束來抑制大氣湍流造成的光強(qiáng)閃爍現(xiàn)象，但是寬波長(zhǎng)間隔會(huì) 導(dǎo)致光電探測(cè)器和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的困難【1 3 ，1 7 】。( 5 ) 2 0 0 2 年美 m a r y l a n d 大學(xué) r i c k l i n 等【1 8 、2 0 0 4 年美國(guó)c e n t r a lf l o r i d a ；) 弋學(xué)k o r o t l m v a - 等t 1 9 】研究發(fā)現(xiàn)部分相干光 傳輸技術(shù)可以抑制湍流光強(qiáng)閃爍，但對(duì)部分相干光源有一定要求。 上述方案在系統(tǒng)復(fù)雜性、成本等方面存在一些問題【2 0 】?？煽啃愿?、成本低 的方案需求十分迫切。光的偏振態(tài)是最穩(wěn)定的特性之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在最近一二 十年探索利用光的偏振態(tài)作為信息調(diào)制的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了通信系統(tǒng)的偏振移位鍵控 ( p o l a r i z a t i o ns h i f tk e y i n g p o l s k ) 調(diào)制，并在光纖通信 2 h 6 1 、自由空間光通信【2 0 ， 4 7 。5 9 】領(lǐng)域中展開了深入研究，研究結(jié)果表明偏振移位鍵控調(diào)制可以成為替代開關(guān) 鍵控( o n o f f k e y i n g o o k ) 調(diào)制的理想方案之一。 t f i s n o 等人研究發(fā)現(xiàn)p o l s k 調(diào)制在自由空間光通信中能抗大氣擾動(dòng)，誤碼率 性能比o o k 調(diào)制突 2 0 , 4 7 - 5 9 】，這為p o l s k 調(diào)制在自由空間通信領(lǐng)域的應(yīng)用與研 究開辟了新的空間。然而他們的研究是針對(duì)近地面自由空間水平鏈路的，目前在 星地激光通信中關(guān)于p o l s k 調(diào)制的研究報(bào)道還很少。如果將p o l s k 調(diào)制應(yīng)用到 星地激光通信，那么其誤碼率性能將更為突出。原因如下：大氣湍流主要存在于 從地面到離地高度為2 0 2 5 k m 這段區(qū)域之剮6 0 】，且湍流強(qiáng)度隨著離地高度的增 加而減弱，所以星地激光通信鏈路中受到的湍流影響是隨高度而遞減的。與星地 激光通信鏈路不同，近地面自由空間水平鏈路中發(fā)射端和接收端通常離地面很 近，整條鏈路上湍流強(qiáng)度要比星地激光通信鏈路強(qiáng)，因而相同鏈路長(zhǎng)度上受到的 湍流影響要比星地激光通信鏈路嚴(yán)重。因此，本文以星地激光通信為背景，對(duì)線 偏振移位鍵控系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，提出一種圓偏振移位鍵控( c i r c l ep o l a r i z a t i o ns h i f t k e y i n g ，簡(jiǎn)稱c p o l s k ) 方案。 在文獻(xiàn) 2 0 ，5 1 _ 5 2 ，5 4 _ 5 6 ，5 8 】中，人們一般不考慮湍流大氣造成的退偏效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)誤 碼率造成的影響。而退偏測(cè)量實(shí)驗(yàn)表明【6 m 3 】：不同偏振光的偏振態(tài)會(huì)受到大氣不 同程度的退偏影響。例如，恒星h d2 0 4 8 2 7 發(fā)出的線偏振光穿過大氣的偏振度退 偏范圍是：0 1 3 士0 0 4 5 ，偏振角退偏范圍：0 7 0 + 0 1 “6 2 1 。偏振態(tài)退偏會(huì)影響 信息傳輸?shù)目煽啃院屯ㄐ畔到y(tǒng)的誤碼率，因此文中將對(duì)星地激光通信鏈路傳輸?shù)?圓偏振基模高斯光的退偏進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合星地激光通信鏈路通常必 須考慮的其他大氣影響，例如大氣吸收衰減、光強(qiáng)閃爍、光束擴(kuò)張和漂移等，推 導(dǎo)星地激光通信上、下行鏈路的c p o l s k 調(diào)制誤碼率計(jì)算公式。文中最后結(jié)合具 體的星地激光通信鏈路條件，對(duì)本文提出的c p o l s k 調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。仿 真的目的在于通過對(duì)l 匕c p o l s k 調(diào)制和o o k 調(diào)制的誤碼率，表明c p o l s k 調(diào)制誤碼 率的優(yōu)勢(shì)。仿真的重點(diǎn)在于分析湍流因素，例如近地面折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、地面風(fēng) 2 第一章緒論 速、通信天頂角、湍流內(nèi)、外尺度這些因素對(duì)c p o l s k 調(diào)制誤碼率的影響，為c p o l s k 調(diào)制在未來的星地激光通信中的具體應(yīng)用提供可指導(dǎo)意見。 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 光的幅度、相位、頻率可以作為信息調(diào)制的參數(shù)早已為人們所熟知，而除此 之外，光的偏振態(tài)也可以作為信息調(diào)制的參數(shù)。顧名思義，p o l s k 調(diào)制是指將傳 輸?shù)男畔⒄{(diào)制到光的偏振態(tài)上，在接收端檢測(cè)對(duì)應(yīng)的偏振態(tài)，從而解調(diào)出所傳輸 的信息的一種調(diào)制技術(shù)。 p o l s k j 凋制的思想最早是由n i b l a c k 等學(xué)者在19 6 4 年提出的【刪。由于受到當(dāng)時(shí) 的條件等限制，p o l s k 調(diào)制技術(shù)并沒有得到深入的研究。此后在2 0 世紀(jì)8 0 年代， r c a l v a n i 等提出了差分p o l s k ( d p o l s k ) 思想【6 5 】， 19 8 9 年b e t t i 等人采用s t o k e s 參數(shù)完成了差分檢測(cè)的d p o l s k 系糾6 6 】。19 9 2 年，e n e d e t t o 等人完成了光纖通信的 偏振調(diào)制光信號(hào)的數(shù)字傳輸【2 1 1 ，這重新引起人們對(duì)p o l s k 技術(shù)的重視。此后，他 們發(fā)展t p o l s k 調(diào)制技術(shù)，提出相干檢測(cè)p o l s k 調(diào)制 2 2 1 和直接檢測(cè)p 0 1 s k 調(diào)制【2 3 1 。 這有力促進(jìn)了光纖通信中p o l s k 調(diào)制技術(shù)的實(shí)用化。1 9 9 8 年，c a r e n a 等開展了 p o l s k 調(diào)制技術(shù)的長(zhǎng)距離光纖通信實(shí)驗(yàn)【2 4 】。2 0 0 3 年，e h u 等人實(shí)現(xiàn)了四電平直接 檢測(cè)p o l s k 調(diào)制系統(tǒng) 2 6 】，并于次年設(shè)計(jì)了一種用于光纖通信的4 0 g h z 的超高速電 光偏振調(diào)制裂2 7 1 。2 0 0 5 年，c h i 等人成功進(jìn)行了5 0 k m 的光纖通信的二進(jìn)制的p o l s k 實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)至u 4 0 g b i v s 2 8 1 。2 0 0 6 年，b a r o n i 等【4 6 】提出一種新穎的差分 p o l s k 系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)靈敏度有l(wèi) d b 的提高。2 0 0 9 2 0 1 1 年，c h o w 3 0 】、 m d n u r - a 1 s a f a 37 1 、p e r l i c k i 3 8 1 、甜1 i i l a d i 4 0 】等對(duì)p o l s k 技術(shù)的應(yīng)用做了進(jìn)一步研 究。在國(guó)內(nèi)，對(duì)p o l s k 調(diào)制技術(shù)應(yīng)用與研究的機(jī)構(gòu)主要有上海大掣2 9 ，3 1 - 3 2 , 3 4 - 3 6 , 3 9 , 4 h 5 1 。例如，方捻等在2 0 0 8 年使用多種偏振態(tài)部分或者完全相同的p o l s k 方式， 提出基于數(shù)字混沌與偏振移位鍵控技術(shù)的光保密通信系統(tǒng)【2 9 1 ，研究結(jié)果表明該 保密系統(tǒng)具有較強(qiáng)的安全性和保密性。王陸唐等在2 0 0 9 年基于s o a 全光偏振調(diào)制 技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙信道偏振移位鍵控光傳輸系統(tǒng)，并進(jìn)行了5 0k m 、8 0k m 和1 0 0k m 長(zhǎng)距 離光纖數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)【3 4 】。 p o l s k 技術(shù)最初應(yīng)用于光纖通信，但由于光纖的雙折射效應(yīng)會(huì)影響長(zhǎng)距光纖 通信中光信號(hào)的偏振態(tài)，因而它的發(fā)展受到了一定限制。與光纖通信不同，自由 空間光通信利用空間作為通信信道，不存在光纖的雙折射效。因此，國(guó)外學(xué)者嘗 試將p o l s k 技術(shù)應(yīng)用到自由空間光通信( f s o ) 領(lǐng)域。 2 0 0 2 年，d a v i s 等人首次在自由空間光通信中的使用了p o l s k 技術(shù)，分別采用 水平偏振態(tài)和垂直偏態(tài)對(duì)“0 ”、“1 信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了信息傳輸【4 7 】。2 0 0 6 第一章緒論 年，d a v i s 等人對(duì)囪困笙| 弱j 龍翹循甲嗣p o l s k 調(diào)制系統(tǒng)性能進(jìn)李亍研究。實(shí)驗(yàn)中，通 過比較p o l s k 和開關(guān)鍵控( o o k ) 調(diào)制的誤褐率性麓，發(fā)現(xiàn)p o l s k 的靈敏度岳l o o k 調(diào)制提高大約3 d b 4 鰣。2 0 1 0 。2 0 1 1 年，x 。t a n g 等人分別提瞄栩干2 p o l s k 、m 。p o l s k 調(diào)制應(yīng)用于自由空間光通信，取得了一定成果陟5 5 ，鼴舶】。國(guó)內(nèi)關(guān)于p o l s k 技術(shù)在 自由空閥光通信中的應(yīng)用研究主要有：清華大學(xué)的朱鎊等人在2 0 0 5 年提出采用圓 偏振光實(shí)現(xiàn)偏振復(fù)閣激光通訊系統(tǒng)，他們對(duì)德攘復(fù)用逼訊系統(tǒng)陶可行犍進(jìn)行了論 證件趴。西安理工大學(xué)的柯熙政等人在2 0 0 7 年攥出了光的p p m 偏振調(diào)制方式，通 過對(duì)偏援角進(jìn)行編碼，邋信躺碼元速率可以成倍提高驂剛。2 0 0 9 。2 0 1 0 年，啥爾濱 工業(yè)大學(xué)的姚勇等人提出旋光譎制技術(shù)，通過旋光器得到圓偏振光，然后進(jìn)入大 氣懵邀進(jìn)行傣輸，其靈敏度跳0 0 畿調(diào)制提高3 d b f 2 。，5 1 , 5 6 j 。2 0 1 1 年，北京大學(xué)的 f a n g x i a n gw a n g 等提出偏振復(fù)用系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明偏攘復(fù)用系統(tǒng)克服相位起伏 的性麓優(yōu)于b p s k 5 7 1 。 綜上所述，人們對(duì)p o l s k 技術(shù)的研究主要在光纖通信、自虞空聞光通信領(lǐng)域， 麗在星地激光通信領(lǐng)域中的研究報(bào)道還很少。南于大氣滴流主要存在于離地高度 2 0 。2 5 k m 左右的大氣罄內(nèi)，而且大氣湍流強(qiáng)度隨著離地高度的增加麗減弱，困此 p o l s 臌術(shù)在星地激光通儲(chǔ)中的性能會(huì)隧突出。此外，以圓德振光作為載波的接 收端不需要編振坐標(biāo)對(duì)齊黼，4 8 1 ，所以圜偏蒹鍵控調(diào)制技術(shù)在星地激光通信領(lǐng)域 存在廣閥的發(fā)震空間。 1 。3 諜題研究?jī)?nèi)容與論變結(jié)構(gòu)安排 。3 ，1 砑窕內(nèi)容 在光的幅度、相位、頻率和偏振態(tài)等特性中，偏蒹態(tài)蹙光在大氣中傳輸最穩(wěn) 定晌特性之一。因而，p o l s k 調(diào)鑭技術(shù)在窒瀾光通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前豢。 p o l s k 調(diào)鍘在光纖通信領(lǐng)蠛齙研究糖對(duì)成熟，雨其在空闖光通信領(lǐng)域并沒有得到 廣泛的應(yīng)用。本文以星地激光通倍共背景，提出一種圓偏振移餓鍵控調(diào)制方寨， 通過仿真手段分析該調(diào)制的誤碼率優(yōu)勢(shì)和湍瀛閹豢對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響，為凰偏 振移位鍵控調(diào)制的實(shí)際應(yīng)用提拱指導(dǎo)意見。本文的主要姘究?jī)?nèi)容如下； ( 1 ) 分柝湍流大氣傳輸中鑣擐態(tài)的運(yùn)偏。文中以闞偏振蒸模離新光為光策模 型，繕合m a x w e l l 波動(dòng)方程和y o nk a r m a n 大氣折射率起伏功率譜密度函數(shù)，推 導(dǎo)了德振度的遐偏均僮，圈時(shí)分耩了偏掇角的退偏情況，并數(shù)值模擬了偏振度退 偏與大氣湍流的關(guān)系。 ( 2 ) 利用凰謫振纂模高斯光的偏振態(tài)的穩(wěn)定特性，提出一秭圓鑣搌移位鍵控 4 第一章緒論 調(diào)制方案。該調(diào)制方案中，在發(fā)射端分別將信息“0 和“1 ”調(diào)制到左、右旋圓 偏振基模高斯光上，實(shí)現(xiàn)二迸制數(shù)字調(diào)制；在接收端對(duì)圓偏振光的斯托克斯矢量 的參量& 進(jìn)行檢測(cè)，解調(diào)出所傳輸?shù)男畔ⅰ？紤]各種衰減和大氣湍流效應(yīng)的影 響，推導(dǎo)了上行和下行鏈路的誤碼率計(jì)算公式。 ( 3 ) 在v i s u a ls t d i o2 0 0 5 上設(shè)計(jì)c p o l s k 調(diào)制誤碼率仿真系統(tǒng)，并結(jié)合具體的 鏈路條件，仿真分析湍流影響下c p o l s k 調(diào)制的誤碼率性能。此外，重點(diǎn)分析了 近地面折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、地面風(fēng)速、通信天頂角、湍流內(nèi)、外尺度這五個(gè)湍流因 素對(duì)誤碼率的影響。 1 3 2 內(nèi)容安排 全文共六章，內(nèi)容安排如下： 第一章緒論，闡述星地激光通信的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、面臨的問題以及偏振移位鍵 控調(diào)制技術(shù)的研究背景和意義。 第二章介紹大氣和偏振光學(xué)的基本概念。大氣基本概念中主要簡(jiǎn)單介紹大 氣吸收、衰減作用，大氣湍流效應(yīng)( 包括光束擴(kuò)展、光強(qiáng)閃爍和光束漂移) 。偏 振光學(xué)基本概念中主要簡(jiǎn)單介紹偏振光與偏振態(tài)的概念、描述方式、偏振度的定 義以及計(jì)算公式。 第三章分析大氣湍流對(duì)偏振態(tài)的退偏影響。闡述退偏分析的背景，結(jié)合 m a x w e l l 波動(dòng)方程和y o nk a r m a n 大氣折射率起伏功率譜密度分析大氣湍流對(duì)圓 偏振基膜高斯光的偏振度及偏振角的影響，并在具體的條件下對(duì)偏振度退偏進(jìn)行 數(shù)值仿真。 第四章闡述c p o l s k 調(diào)制系統(tǒng)的模型，推導(dǎo)誤碼率計(jì)算公式。首先，簡(jiǎn)單 介紹c p o l s k 的調(diào)制與解調(diào)原理、發(fā)射端和接收端的模型，簡(jiǎn)述如何利用圓偏振 態(tài)實(shí)現(xiàn)傳輸信息的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)。然后，考慮各種衰減和大氣湍流效應(yīng)， 推導(dǎo)上行、下行鏈路的系統(tǒng)誤碼率表達(dá)式。 第五章仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬。在v i s u a ls t d i o2 0 0 5 平臺(tái)上設(shè)計(jì)c p o l s k 調(diào)制誤碼率仿真系統(tǒng)，并結(jié)合具體的鏈路條件，仿真分析湍流影響下c p o l s k 誤 碼率性能。此外，重點(diǎn)分析5 個(gè)湍流因素對(duì)誤碼率的影響。 第六章總結(jié)與展望。總結(jié)本文的研究成果，并指出了本文工作的不足和有 待進(jìn)一步完善的地方。 第一章緒論 6 第二章基本概念介紹 第二章基本概念介紹 在本章內(nèi)容中，將介紹大氣和偏振光學(xué)的基本概念。大氣基本概念方面，主 要介紹大氣吸收、衰減和大氣湍流效應(yīng)等概念。偏振光學(xué)基本概念方面，介紹偏 振光與偏振態(tài)的概念、偏振光的描述方法以及偏振度的定義和計(jì)算公式。介紹這 些基本概念的目的是便于分析大氣湍流對(duì)偏振態(tài)的退偏影響和圓偏振移位鍵控 調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率性能。 2 。1 大氣基本概念 目前，星地激光通信信道被認(rèn)為是星地大氣信道和自由空間信道的級(jí)聯(lián)信 道【4 】。自由空間信道處在平流層以上的空間區(qū)域，該區(qū)域大氣分子和氣溶膠粒子 等微粒的含量已經(jīng)非常低，因而激光束受到的大氣衰減和湍流效應(yīng)比較小。而星 地大氣信道中，大氣成分比較復(fù)雜。大氣分子及氣溶膠粒子等微粒含量相對(duì)較高， 它們對(duì)激光能量的影響通常必須考慮。本節(jié)內(nèi)容主要介紹大氣衰減和湍流效應(yīng)的 相關(guān)概念。 2 1 1大氣衰減 地球的表面被大氣層包圍著，單位體積的大氣由7 8 的氮?dú)狻? 1 的氧氣、 不到1 的氬、一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣、甲烷等氣體分子、氣溶膠顆粒和 其他雜質(zhì)粒子組成。當(dāng)光在大氣中傳輸時(shí)，一部分光能被大氣吸收而轉(zhuǎn)化為熱能； 另一部分光能以散射形式輻射出去。大氣吸收和散射作用通常被統(tǒng)稱為大氣衰減 效應(yīng)。 2 1 1 1大氣吸收 當(dāng)光波在大氣中傳輸時(shí)，大氣分子和氣溶膠都可以對(duì)光能進(jìn)行吸收作用。其 中，分子吸收光譜特性決定了大氣分子對(duì)光能的吸收作用。在不同的光波頻率范 圍內(nèi)，大氣吸收表現(xiàn)為線吸收、帶吸收及連續(xù)吸收【4 】o 一般情況下，光在低空大氣層( 高度低于2 0 k m ) 中傳輸時(shí)的大氣吸收系數(shù) 計(jì)算公式為： ，2 s 圪 萬(wàn)( k - k o ) 2 + 疙 ( 2 1 ) 第二章基本概念介紹 其中，s 是譜線的積分強(qiáng)度( 單位：c m 之) ，兒是洛倫茲線半寬，尼是光的 波數(shù)( 單位：c m - 1 ) ，是光譜的中心波數(shù)。 光在2 0 k m