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空间激光通信的整个过程大致可分为光学链路的建立和数据传输两个方面。光学链路的顺利建立决定着整个通信过程的顺利进行。在空间激光通信系统中,负责光学链路建立的PAT(Pointing,Acquisition,and Tracking)系统主要由粗跟踪系统、精跟踪系统和提前瞄准系统组成。精跟踪系统对于光束偏转角的检测精度和检测速度决定了跟踪系统的跟踪精度和跟踪速度。而其中光束偏转角的检测实际上等效于光斑质心在精跟踪探测器表面上位置的检测。
在实际的空间激光通信中,激光通信终端接收到的为理想平面波,但是由于光学系统的像差等原因会造成波前的畸变,引起接收光斑内部能量分布不再是均匀对称分布的,再加上大气湍流等对信标光束的影响,使得最终在接收端探测器上得到的不是理想的爱里斑,而是呈现为类似光学散斑形式的图样。又由于接收端位置探测器大小的有限性和接收光束的衍射,使得最终探测器获得的光斑质心与实际光斑质心不一定是重合的,甚至有可能两者的平移情况并不能相互表征,即探测器感受到的光斑质心移动情况并不能准确实时地反映实际光斑质心的移动情况,从而导致跟瞄过程的失败,使得光学链路中断,最终使得整个通信过程无法实现。因此,对空间激光通信跟瞄过程中光斑定位情况进行研究具有重大现实意义。
本文主要研究空间激光通信跟瞄过程中的光斑定位问题。文中首先综述了研究激光通信的意义,以及国内外进展,进而介绍了空间激光通信系统及PAT子系统中的捕获技术。其次,研究分析介质中的光传输理论,应用分步波传输的方法对空问激光通信链路中光波的传输进行了分析。再次,在分步波传输的基础上,结合泰勒冻结湍流假设,对大气湍流效应进行了分析,并应用数值模拟方法构造了体现大气湍流特性的位相屏。最后,文章基于CCD(Charge Coupled Device)的光斑定位研究,着重研究分析了光斑大小,湍流强度,探测器帧率等因素对光斑定位的影响,并进行了相应的建模仿真实验分析,给出了仿真结果,对激光通信终端PAT系统的设计等方面具有一定的理论指导和参考意义。同时本文中关于时变湍流下光斑定位的研究讨论结果不仅适用于空间激光通信,也同样适用于合成孔径激光雷达,天文成像等涉及光在自由空间传播问题的领域。