大气激光通信中PPM偏振调制的研究

摘要

大气激光通信是解决通信“最后一公里问题”的方法之一，但由于大气介质的湍流、吸收和散射以及恶劣天气，使大气激光通信质量下降，误码率增加，严重制约了空间光通信的进一步发展。本论文提出了一种光与电结合的多路偏振复用脉冲位置调制(PPM)方式，通过在发射端对不同偏振涡旋状态的激光束进行PPM调制，在接收端分别解调同时与大气介质作用的水平和垂直偏振分量，再合成偏振光并处理，即可抑制或消除大气介质的湍流、吸收、散射及衰减的作用，同时光波的偏振复用可以成倍提高大气激光通信的通信容量。
　　 本文的主要工作和创新点如下：
　　 (1)将光偏振技术引入到大气激光通信中
　　 光偏振技术应用在光纤通信中已经比较成熟，但在大气激光通信系统中，国内还没有报道。我们提出了将光偏振与PPM相结合的方式实现信号调制，并从理论和实验论证了基于光偏振的脉冲位置调制(PPPM)方式的可行性。
　　 (2)建立了PPPM调制的误码率数学模型并分析了PPPM调制的信道容量
　　 从PPPM调制的理论出发分析了产生误码的原因，建立了数学模型并进行了仿真。仿真结果表明：在相同的条件下，PPPM调制的信道容量和误码特性都要优于PPM调制方式；探测器和信道噪声是影响PPPM系统误码率的主要因素，随着信噪比的增大系统误码率降低。偏振角度解调引起的系统误码率随着噪声功率的降低而降低；在相同噪声功率下，偏振角度越大，误码率越低。
　　 (3)分析了偏振激光在大气信道中传输的偏振蜕化现象
　　 利用米氏(Mie)散射理论及蒙特卡罗法(MC)仿真了偏振激光PPM信号在大气传输中的蜕化、相位起伏和光束飘移。仿真结果表明：随着大气粒子半径的增大光的偏振度越来越小，偏振退化主要集中在后向；随着偏振激光束传输距离的增加，光散射角增大，光能量衰减增大，偏振蜕化增强。
　　 (4)设计了脉冲位置偏振(PPPM)调制/解调编解码模块
　　 PPPM调制/解调编解码模块可实现0。到90。偏振和16-PPM脉冲编码解码功能。
　　 (5)设计了远距离激光通信的光学天线
　　 激光通信的光学天线采用光束整形及优化技术，可实现在小型低功率激光通信平台上远距离传输，并可实现多光束发射系统的同步校准。
　　 (6)设计开发了脉冲偏振位置调制(PPPM)的硬件系统平台
　　 PPPM调制/解调的硬件系统平台包括激光调制驱动系统、光PPPM调制系统、发射/接收天线系统及解调系统等，该系统可实现0。到90。多个方向PPPM调制与解调。