基于量子光学理论和激光远场测量信息的空间光场分布重构方法研究

The system design of the satellite laser communication, such as the receive aperture of the optical system on the terminal,acquisition scanning scope of the terminal,the usability for the tiny vibration environment and so on , is restricted by the far-field distribution characteristic of the laser beam.Based on the quantum theory of light, the far-field distribution characteristic of the laser beam in the influence of spatial background optical field and dynamic environment is analyzed theoretically.Using the measured results of the laser far-field distribution,the spatial optical field distribution with many constraint conditions is reconstructed for acquiring the distribution characteristic of the far-field.Finally, the laser communication experimental results on the HY-2 satellite are used to analyse the availability of the theoretical models in the study. This research presents the topological characteristic model of the photon energy distribution and the numerical distribution statistical theoretical model of photon, and these are used for obtaining the intensity characteristic of the laser far-filed.Acoording to satellite dynamics and the quantum theory of light, the correlation model between the motion vector of light stream filed and the satellite position vector for getting the variation law of the frequency characteristic of laser far-field.And based on this work, some novel methods which are suitable for acquiring the distribution characteristic of the laser far-filed are presented.This research work gives the theoretical reference for improving the performance of the satellite optical communication and the development of this technology.

卫星激光通信系统设计，如终端光学系统接收孔径、终端捕获扫描范围，卫星微振动环境适应性等，均受限于激光光束远场分布特性。因此，本研究基于量子光学理论，对空间背景光场以及空间动力学环境影响下的激光光场远场分布特性进行理论分析，利用激光远场分布测量结果，对多约束条件下的空间光场分布进行重构，从而获得远场光场的分布特性，最后利用海洋二号卫星激光通信试验结果进行对比分析，验证本研究理论模型的有效性。本研究主要建立基于光子能量分布的拓扑特性模型以及光子数分布统计理论模型，从而得到激光远场的强度特性。依据卫星动力学以及量子光学理论，建立光流场的运动矢量与卫星位置矢量的相关性模型，获取激光远场的频率特性变化规律。以本研究为基础，实现激光远场分布特征信息的获取，将为卫星光通信系统设计以及进一步优化系统提供必要的理论基础。

卫星激光通信系统具有束散角窄，抗干扰性强，不易被截获窃听，保密性好等特点，目前已受到各国的重视。. 空间光通信终端上的瞄准、捕获和跟踪系统为了能够满足维持通信链路的要求，对光信号的准确识别、快速捕获及稳定跟踪技术是能否实现其空间应用的关键核心技术。由于卫星光通信系统工作在外层空间中，光通信系统会接收到多种空间光场信息，例如激光光场信息、背景光场信息等。如何从多种的光场信息中对空间光场进行重构和恢复，并从中提取有效信息，是建立和维持激光链路的前提和基础。. 由于光子是构成空间光场的基本粒子，光子信息主要包括光子的能量、光子的运动特性、光子数的分布统计特性以及光子的偏振态等，从本质上分析出空间光场的分布特性，为卫星光通信激光链路的建立和稳定以及激光通信终端系统设计提供必要的理论基础。. 基于项目研究成果，在光学著名期刊《Optics Express》、《Applied Optics》发表了多篇学术论文：提出了一种星地激光链路中信标光精确定位方法，较传统方法提高了约50%的定位精度，在地面通过11.16km长距离激光链路通信实验证明了该算法的有效性；基于亚像素图像处理理论，提出了一种快速梯度插值方法，减小了信标定位过程中的误差；提出一种深空光通信中快速捕获识别信标方法，保证在极短时间内完成对信标的锁定和识别；总结了星地激光通信链路中的信标捕获识别的边界条件，并提出了优化阈值分割方法，较传统的阈值分割方法，该方法精度较高，并通过11.16km长距离激光链路也验证了此方法的有效性；本项目的一些研究成果已获授权专利项目为5项，这些专利已应用于XXX星地XX高速激光通信试验项目，在轨性能良好。. 本项目的研究成果也为XXX星地XX高速激光通信试验项目提供必要的参考和一定的理论依据。XXX星地XX高速激光通信试验项目在轨测试数据也验证了此部分理论模型以及相关算法的有效性。XXX星地XX高速激光通信试验项目已获2017年度中国高等学校十大科技进展，为我国的卫星激光通信技术的发展和应用奠定了坚实的基础。