空間相乾激光通信技術

近年來，隨著衛星互聯網概念的興起，星間骨乾網絡對於數據傳輸容量的需求暴增。傳統的微波星間通信技術存在損耗大、載波頻率低等問題，同時受限於衛星平臺的重量和功耗等資源，不能滿足應用需求。空間激光通信技術具有體積小、重量輕、功耗低等優點，是星間通信的重要技術。空間相乾激光通信技術與非相乾探測通信技術相比，可以獲得更高的探測靈敏度，具備全天時工作能力。

本書從空間相乾激光通信背景出發，系統闡述激光通信系統的體系結構、鏈路預算、光跟瞄等內容。通過本書，讀者可以系統地瞭解空間相乾激光通信技術的基本原理和核心關鍵技術，另外，本書對於激光通信的系統設計具有重要的參考價值。本書是作者近年來在空間相乾激光通信技術領域的研究總結，適合激光通信、激光測量和信號處理等相關領域的科技人員參考使用，也可以作為高等院校相關專業的教學和研究資料。

孙建锋

主要从事空间激光通信和空间激光相干雷达方面的研究。作为型号主任设计师承担了我国星地高速相干激光通信试验任务，北斗三号激光星间链路通信测量一体化任务。

第 1章 空間激光通信的現狀及趨勢 001

1.1 空間激光通信技術 001

1.2 空間激光通信國內外發展現狀 001

1.2.1 歐洲 002

1.2.2 美國 008

1.2.3 日本 014

1.2.4 中國 018

1.3 空間激光通信技術發展趨勢 019

第 2章 空間激光通信基本原理 021

2.1 通信基本原理 021

2.2 通信方式 022

2.3 通信信息量度量 024

2.4 通信性能主要指標 024

2.4.1 通信速率 025

2.4.2 誤比特率 025

2.4.3 通道容量 028

2.5 數字基帶信號及其頻譜特性 030

2.5.1 數字基帶信號 030

2.5.2 基帶信號的頻譜特性 032

2.6 空間激光通信與光纖通信的異同 037

2.7 相乾探測原理 038

2.8 典型相乾探測體制靈敏度 045

2.8.1 幅度調制外差探測靈敏度 045

2.8.2 FSK調制外差探測靈敏度 047

2.8.3 BPSK調制外差探測靈敏度 048

2.8.4 ASK和PSK調制零差探測靈敏度 049

2.8.5 不同相乾探測靈敏度對比 049

2.9 光跟瞄基本原理 050

2.9.1 航天器動力學特性 050

2.9.2 衛星軌道類型 052

2.9.3 衛星軌道描述 054

2.9.4 衛星星座 055

2.9.5 星間鏈路特性分析 057

2.9.6 衛星平臺微振動 062

2.9.7 光跟瞄組成與基本原理 065

2.9.8 光跟瞄系統性能分析與描述 074

2.9.9 光跟瞄系統的穩態誤差 082

第3章 相乾激光通信鏈路與系統設計 085

3.1 相乾激光通信鏈路設計 085

3.1.1 激光通信鏈路傳輸方程模型 085

3.1.2 典型通信鏈路分析 094

3.1.3 粗跟蹤/捕獲鏈路功率分析 094

3.1.4 精跟蹤鏈路功率分析 095

3.2 光學外差效率 095

3.3 光學瞄準、捕獲和跟蹤系統 102

3.3.1 PAT系統基本工作原理 102

3.3.2 PAT系統基本組成 104

3.3.3 關鍵器件及原理 106

3.4 光學系統設計 125

3.4.1 望遠鏡設計 125

3.4.2 成像光學 129

3.5 其他設計因素和考慮 130

3.5.1 背景光影響 130

3.5.2 提前量 136

3.5.3 多普勒頻移 140

3.5.4 時空參考系 142

3.5.5 空間環境特性 151

3.5.6 蒙氣差 158

第4章 空間相乾激光通信體系和結構 163

4.1 空間相乾激光通信終端結構 163

4.2 光學地面站結構 165

4.2.1 大氣隨機通道 165

4.2.2 地面站典型設計 170

4.3 通信光和信標光收發系統結構 185

4.3.1 通信光、信標光旁軸式結構 185

4.3.2 通信光、信標光同軸式結構 186

4.3.3 通信光、信標光合一式結構 186

4.4 光學捕獲跟蹤系統結構 187

4.4.1 經緯儀式 187

4.4.2 潛望鏡式 191

4.4.3 單反射鏡式 191

4.4.4 雙棱鏡式 193

4.5 光學系統結構設計 203

第5章 相乾激光通信系統 207

5.1 單頻激光光源 207

5.1.1 激光線寬 207

5.1.2 相對強度噪聲 211

5.1.3 波長 213

5.2 光學橋接器 215

5.2.1 180°光學橋接器 216

5.2.2 90°光學橋接器 219

5.3 BPSK相乾通信技術 232

5.4 空間多模DPSK相乾通信技術 236

5.5 正交相位調制零差相乾通信技術 250

5.6 基於通道切換的相乾光通信解調技術 254

5.7 高階調制通信技術 259

5.8 光學鎖相環技術 264

5.8.1 激光器相位噪聲性質 264

5.8.2 光學鎖相環組成和原理 269

5.8.3 光學鎖相環的設計 271

第6章 跟瞄光機械系統 277

6.1 復合軸光跟瞄原理 277

6.1.1 粗跟蹤系統原理 277

6.1.2 精跟蹤系統原理 281

6.1.3 復合軸光跟瞄原理 282

6.2 位置誤差信號探測技術 284

6.2.1 四象限探測器位置誤差探測技術 284

6.2.2 焦平面探測器位置誤差探測技術 288

6.2.3 光學章動位置誤差探測技術 289

6.3 摩擦對光跟瞄的影響 293

6.3.1 靜態摩擦模型 293

6.3.2 動態摩擦模型 295

第7章 激光終端地面檢測驗證技術 297

7.1 光束遠距離傳輸模擬原理 297

7.2 衛星激光通信終端光跟蹤檢測數理基礎 301

7.2.1 空間實際條件下的遠場衍射 301

7.2.2 地面模擬條件下的近場衍射 306

7.3 模擬遠場傳播的近場光學跟瞄檢驗裝置 309

7.3.1 發射光束偏轉法 309

7.3.2 接收終端偏轉法 310

7.4 衛星激光通信雙終端雙向遠距離 傳輸模擬與地面檢測裝置 311

7.4.1 空間光採樣雙終端雙向遠距離動態模擬系統 312

7.4.2 光纖採樣雙終端雙向遠距離動態模擬系統 314

7.4.3 光學再生雙終端雙向動態遠距離傳輸模擬系統 317

第8章 激光光束質量檢測技術 321

8.1 激光光束發散度測量技術 321

8.2 激光光束波面測量技術 323

8.2.1 直接波前傳感器 324

8.2.2 間接波前傳感器 326

第9章 相乾激光通信系統設計舉例 333

9.1 低軌衛星 低軌衛星相乾激光通信系統 333

9.1.1 鏈路預算 333

9.1.2 通信終端總體方案 335

9.2 高軌衛星-低軌衛星相乾激光通信系統 338

9.2.1 鏈路預算 338

9.2.2 通信終端總體方案 341

9.3 高軌衛星-高軌衛星相乾激光通信系統 343

9.3.1 鏈路預算 343

9.3.2 通信終端總體方案 345

9.4 低軌衛星－光學地面站相乾激光通信系統 345

9.4.1 鏈路預算 345

9.4.2 通信終端總體方案 347

9.5 深空激光通信技術 348

9.5.1 鏈路預算 348

9.5.2 通信終端總體方案 349

參考文獻 371

附錄A 穩相法一維相位函數的傅里葉變換近似求解 387

附錄B 四元數 389

附錄C 星歷解算方法 391

附錄D 光纖放大器噪聲 399

附錄E IQ電光調制器 403