副载波调制非光域无线光外差检测关键技术研究

Coherent optical detection is a important path which can raise the detecting sensitivity of wireless optical communication. Traditional method for coherent optical detection needs wavefront correction, polarization state control, carrier recovery, which limits the application of optical coherence detection. This subject propose a new method for non-optical heterodyne detection, which avoiding some traditional difficulties in optically heterodyne detection. This subject intends to research on the key technology of non-optical heterodyne detection and related problems: establishing the theory model of non-optical heterodyne detection; analyzing the channel capacity, interruption probability and BER characteristic in the cases of horizontal propagation, slant propagation and satellite-ground grazing incidence; adopting the higher order modulation of amplitude, phase and amplitude plus phase, respectively; Proposing self-adaptive predistortion technology in order to overcome non-linearity of laser modulation; considering the Doppler shift influence produced by slant propagation of moving substance on higher-order signal demodulation, and studying the higher-order statistics method to overcome the influence of Doppler shift; adopting the particle filtering method and some new modern methods on carrier recovery due to non-stationary, non-linear and non-Gaussian characteristics of signal propagation in turbulent atmosphere; proposing signal demodulation method for overcoming multiplicative noise; studying on blind wavefront correction without wavefront sensor to improve detection sensitivity, which build the theory basis for non-optical heterodyne detection application.

相干检测是实现大容量、高灵敏度光通信的关键技术。传统的无线光相干光检测需要保持信号光与本振光的光斑重合且偏振态一致，工程实现复杂。本课题提出一种副载波调制非光域无线光外差检测方法，对其涉及到的关键技术问题进行探索。分析激光束水平传输、斜程传输及星地掠入射情况下不同湍流条件下的信道容量、中断概率、误码率特性及外差检测极限，建立副载波调制非光域无线光外差检测理论模型；研究幅度、相位以及幅度+相位的联合高阶调制，探索克服激光器调制非线性的新方法；分析斜程传输时运动介质产生的多普勒频移对高阶信号解调的影响，研究采用高阶统计量方法克服多普勒频移的影响；针对信号的非平稳、非线性、非高斯分布的特点，采用粒子滤波和高阶矩等现代方法进行载波恢复；比较同步检波和异步检波，提出能克服乘性噪声的信号解调方法；探索无波前传感器盲波前修正方法，开发高效空间光耦合技术，为该技术工程应用奠定理论基础和提供实验依据。

随机大气信道的衰减和湍流效应是自由空间光通信技术大规模应用的最大障碍，提高检测灵敏度是解决该问题的核心环节。相干检测技术是提高检测灵敏度的重要方法，但光学相干检测对信号和本振光束的频率、方向和相位要求严格。本项目提出了一种新的非光域外差检测方法，检测灵敏度与经典方法相当且可降低对光束相关参数的要求。开展的主要工作如下：.1.提出了一种新的基于副载波调制(Subcarrier modulation，SCM)的非光域外差检测(Non-optical Heterodyne Detection，NOHD)方法，通过本振光强度信号和信号光强度信号进行平方处理构造交叉项，用本振信号对信号光信号进行放大提高检测灵敏度。建立了无线激光通信中的NOHD模型，详细讨论了外差检测增益并进行了仿真实验验证。.2.分析了部分相干高斯光束在湍流大气中的扩展、漂移、闪烁及偏振变化规律，研究了大气湍流对NOHD检测方法的噪声引入机制。分别推导出加性噪声和乘性噪声下NOHD接收信噪比、误码率与检测灵敏度，进行了加性噪声、乘性噪声和混合噪声下系统仿真实验。.3.研究了空间光-光纤阵列空间耦合结构、自适应载波恢复算法、建立了高阶调制模型并对各个控制系统进行仿真及实验验证，提高了NOHD方法的稳定性和可靠性，降低系统的误码率。.4.搭建了一套NOHD实验系统，采集不同副载波调制方式信号光的NOHD检测信号，分析了差频信号的功率谱、解调信号眼图和星座图，证明了NOHD方法的可行性。.5.完成了1km大气湍流链路通信实验，实验结果证明该系统可获得比直接检测高20dB左右的外差增益。.本项目的研究成果为无线光通信系统抑制大气湍流和提高接收端检测灵敏度提供了新的途径，对SCM /NOHD的推广应用奠定了理论基础并提供实验依据。与此同时，本项目超额完成了立项指标，获得了陕西省科技进步二等奖1项、三等奖1项；中国学工程学会科技创新二等奖1项；出版专著4部；发表期刊论文共计64篇，其中SCI、EI收录45篇；获批发明专利9项；登记软件著作权15项；培养硕士研究生毕业39人；博士研究生毕业5人；博士后出站2人。