波前畸变对卫星激光通信性能影响研究

卫星光通信中，由于光学系统加工、装调误差与环境因素导致的输出光束波前畸变不可避免。畸变光束的传输特性、光场分布等因素是引起瞄准、捕获偏差，影响光信号接收性能、通信性能的重要因素。因而分析波前畸变对卫星光通信性能的影响，得到光学系统各级像差、局部畸变特性与系统瞄准、捕获、跟踪、通信性能的关系，是优化光学系统、提出波前畸变有效补偿方法的基础。本研究建立以切断的椭圆高斯模型描述局部波前畸变的理论方法，解决局部畸变宽度与深度两个重要参数难以精确描述的问题，完善波前畸变理论模型。并以此为基础结合卫星光通信跟瞄理论、光信号探测与通信理论，通过理论分析、数值仿真、模拟实验研究的方法得到初级像差及局部畸变对卫星光通信跟瞄性能、光信号接收性能、通信性能等重要参数的影响规律，对卫星光通信技术的发展具有指导意义。

卫星光通信系统光束传输距离遥远，为了在远场实现对微弱光信号的探测要求光通信终端具有极高的光束瞄准、捕获、跟踪（PAT）精度。受光学元件表面加工误差、光学系统装调误差以及空间环境的影响，激光通信终端经光学天线的输出光束具有一定波前误差。传输光束的波前畸变将严重影响其在远场接收平面内的光场分布，进而对光束的瞄准、捕获、跟踪造成影响，导致卫星激光通信链路稳定性下降，甚至链路中断。此外，接收平面上的光场分布还决定天线的接收光功率和输入信噪比，进而直接影响卫星激光通信系统的误码率。. 可见，畸变光束传输特性研究，以及波前畸变对卫星激光通信性能影响研究是卫星光通信领域急需解决的基础科学问题。针对这一问题的研究本项目取得了以下成果：.（1）建立了以切断的椭圆高斯模型描述局部波前畸变理论方法，解决局部畸变宽度与深度两个重要参数难以精确描述的问题；基于小波光学波前滤波理论建立了星间激光通信系统天线畸变的理论模型，给出了小波基函数中各滤波因子的物理意义；此成果为分析实际卫星光通信系统中局部波前畸变对其性能的影响打下理论基础。（2）建立了波前畸变导致瞄准、捕获误差的理论模型，得到了整体与局部波前畸变对卫星光通信系统PAT性能影响规律；建立了波前畸变对天线接收功率的影响的理论模型，得到整体与局部波前畸变对光束远场接收功率影响规律；（3）在以上分析的基础上， 建立了卫星平台角振动条件下，波前畸变对卫星光通信系统通信误码率影响的理论模型，得到整体与局部波前畸变对通信误码率的影响规律。（4）建立了实验室模拟实验系统，验证了初级像差及局部畸变对光场远场分布理论分析的正确性。. 卫星光通信技术正处于不断的变革与快速发展之中，而技术的发展需要有新的基础理论。本研究工作解决了卫星光通信领域急需解决的基础科学问题——畸变光束的传输以及波前畸变对卫星光通信系统影响的问题。所得研究成果将为卫星光通信系统瞄准、捕获、跟踪、通信等关键技术的发展提供重要理论依据，为优化光学系统，提出波前畸变有效补偿方法打下基础。