基于小波光学波前滤波理论的星间光通信系统特性研究

摘要

卫星光通信技术具有体积小、重量轻、功耗小、抗干扰、数据传输率高而且保密性好等诸多优点,其潜在的经济和国防应用价值引起人们的广泛关注,已成为通信领域研究的热点。
　　卫星光通信系统主要由发射子系统、接收子系统、跟瞄子系统以及通信子系统组成。由于星间光通信系统具有极远的传输距离,极弱的接收能量,极窄的光束束散角等特点,为保证通信链路在如此苛刻的条件下仍具有良好的稳定性和高通信数据率,激光通信终端必须具有极高的精度。但是,暴露在外太空的光学天线由于受到复杂的环境、温度等因素的影响,光学器件的表面极易产生形变,并且光学器件之间的距离也会发生变化,这将导致传播光束产生波前畸变,从而对星间光通信系统的发射光场、接收光场、瞄准捕获性能以及通信性能产生影响。因此,为了实现高质量的数据传输,研究天线畸变对星间光通信系统特性的影响具有重要意义。
　　本文基于小波光学波前滤波理论,将星间光通信系统的光学天线看作滤波系统,对传播光束的波前进行滤波,滤波后光场在各点的权重重新分配,并引入小波函数作为权重函数,通过小波滤波因子研究天线畸变对星间光通信系统发射光场、接收光场以及瞄准捕获性能、通信性能的影响。本文主要工作包括:
　　基于小波光学波前滤波理论,分析了星间光通信系统发射天线畸变对发射光场分布特性的影响。建立了星间光通信系统发射天线畸变滤波理论模型,给出了小波基函数中各滤波因子的物理含义。运用该理论模型可对各种天线畸变及其引起的波前畸变进行描述,为星间光通信系统性能优化设计奠定了一定的理论基础。
　　运用小波光学波前滤波理论,研究了星间光通信系统发射天线畸变对接收光场分布特性的影响。建立了天线畸变对接收光场能量分布影响的理论模型,利用功率衰减因子评价了接收光场能量分布变化对接收端接收功率的影响,给出了位移滤波因子、伸缩滤波因子及滤波系数与功率衰减因子之间的关系,得到了系统接收功率随波前畸变位置、范围以及振幅变化量变化的规律。
　　根据星间光通信系统收发光场畸变特性,研究了天线畸变对系统瞄准捕获性能的影响。基于小波光学波前滤波理论,建立了畸变瞄准偏差及畸变捕获偏差的理论模型,得到了位移滤波因子、伸缩滤波因子及滤波系数与畸变瞄准偏差及畸变捕获偏差之间的关系,分析了波前畸变位置、范围以及振幅变化量对系统瞄准捕获性能的影响。
　　利用星间光通信系统收发光场畸变特性,研究了天线畸变对系统通信性能的影响。基于小波光学波前滤波理论,在考虑平台振动的情况下,对采用OOK码调制的星间光通信系统,建立了天线畸变对通信误码率影响的理论模型。提出了误码率变化因子,并运用其评价了天线畸变对系统通信误码率的影响。给出了位移滤波因子、伸缩滤波因子及滤波系数与误码率变化因子之间的关系,得到了系统通信性能随波前畸变位置、范围、振幅变化量及能量变化的规律。
　　本论文应用小波光学波前滤波理论对星间光通信系统天线畸变及其影响进行分析,其研究结果为星间光通信发射子系统、接收子系统的优化设计奠定了一定的理论基础,为系统的瞄准、捕获及通信等子系统参数优化设计提供了一定的理论依据。因此,本文的研究成果对星间光通信技术的发展具有一定的指导意义。

目录

基于小波光学波前滤波理论的星间光通信系统特性研究

RESEARCH ON CHARACTERISTICS OFINTER-SATELLITE LASER COMMUNICATIONSYSTEMS BASED ON WAVE-FRONT FILTERINGTHEORY OF WAVELET OPTICS

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景以及研究的目的和意义

1.2 小波分析及其在光学中的应用概述

1.2.1 小波分析概述

1.2.2 小波分析在光学中的应用

1.3 国内外卫星光通信及其终端发展概况

1.4 卫星光通信系统天线畸变的研究现状与分析

1.5 本文的主要研究内容

第2章 基于小波光学波前滤波理论的星间光通信系统发射光场畸变特性研究

2.1 引言

2.2 星间光通信系统发射光场分布的小波光学建模

2.2.1 天线畸变对发射光场的影响

2.2.2 发射光场畸变的小波建模分析

2.3 星间光通信发射光场畸变的小波光学滤波特性分析

2.3.1 小波滤波因子的物理含义

2.3.2 小波基函数的优化选择分析

2.3.3 小波基函数优化选择的仿真研究

2.4 星间光通信系统天线畸变的小波滤波模型

2.5 本章小结

第3章 基于小波光学波前滤波理论的星间光通信系统接收光场畸变特性研究

3.1 引言

3.2 星间光通信系统接收光场能量分布的小波光学建模

3.3 位移滤波因子对星间光通信系统接收功率的影响

3.4 伸缩滤波因子对星间光通信系统接收功率的影响

3.5 滤波系数对星间光通信系统接收功率的影响

3.6 本章小结

第4章 收发光场畸变特性对星间光通信系统瞄准捕获性能影响研究

4.1 引言

4.2 星间光通信系统相互对准偏差的小波光学建模分析

4.2.1 畸变瞄准偏差的小波模型

4.2.2 畸变捕获偏差的小波模型

4.3 位移滤波因子对相互对准偏差的影响

4.3.1 位移滤波因子与瞄准偏差

4.3.2 位移滤波因子与捕获偏差

4.4 伸缩滤波因子对相互对准偏差的影响

4.4.1 伸缩滤波因子与瞄准偏差

4.4.2 伸缩滤波因子与捕获偏差

4.5 滤波系数对相互对准偏差的影响

4.5.1 滤波系数与瞄准偏差

4.5.2 滤波系数与捕获偏差

4.6 本章小结

第5章 收发光场畸变特性对星间光通信系统通信性能影响研究

5.1 引言

5.2 星间光通信系统通信误码率的小波光学建模分析

5.3 位移滤波因子对通信误码率的影响

5.4 伸缩滤波因子对通信误码率的影响

5.5 滤波系数对通信误码率的影响

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历