开题-近地高效大气激光通信关键技术研究

在此输入文字标题,近地高效大气激光通信关键技术研究,在此输入文字标题,课题来源,2,课题来源于“光电跟踪设备研制项目”，为所内创新项目。,目 录,1、课题背景及研究意义2、课题主要研究内容3、实验方案及可行性分析4、预期目标及创新点5、研究进度及具体时间安排。,一、课题背景及研究意义,课题背景： 随着近些年国内各武器靶场试验基地的不断发展，各光电跟踪设备和雷达的数据量不断增大，而且由于地貌，地势等原因不宜铺设光缆，对于研制一种通信容量大、抗电磁干扰能力强、铺设方便的一种应急通信设备十分必要。,一、课题背景及研究意义,课题背景： 大气激光通信设备正好可满足以上条件的需要。大气激光通信是指两个或多个终端之间，利用激光束作为信息载体，以空间大气环境作为通信信道的一种通信技术。,国外在此领域的研究起步较早，技术较成熟，已经进行了多次的地面或者空间实验，已经进入工程化和实用化的阶段。研究机构主要集中在美国、欧洲、日本。如：美国的加州理工的喷气推进试验室（JTL）和麻省理工学院的林肯实验室；欧洲航天局（ESA）等。国内的研究起步较晚，在借鉴国外研究的基础上，进度较快。目前在研究大气激光通信的大学和研究所主要有武汉大学、电子科技大学、哈尔滨工业大学、长春理工大学、桂林激光研究所。,大气信道,近地大气激光通信示意图,一、课题背景及研究意义,研究意义： 与无线电通信相比，大气激光通信具有通信通量大、保密性高、抗电磁干扰能力强等优点； 与光纤通信相比，大气激光通信具有不用铺设光缆、机动性强、建造和维护经费低等优点。,一、课题背景及研究意义,研究意义： 通过以上介绍和对比可知，大气激光通信有通信容量大，保密性好，机动性强等优点。在军事上还可应用于军事预警的应急通信，海上舰艇编队等。所以研究此课题具有重大意义。,如何使发射天线与接收天线的光轴精密对准,高效大气激光通信,如何有效地克服大气湍流对大气激光通信链路的干扰,激光光斑位置精密检测技术研究,多光束发射和大孔径接收技术研究,二、课题主要研究内容,二、课题主要研究内容,激光光斑位置精密检测技术研究： 在进行激光光斑位置检测前，首先应该选取适合大气激光通信光斑检测的光电探测器件。,光电探测器件,CCD（电荷耦合器件）,PSD（位置敏感器件）,QD（四象限探测器）,二、课题主要研究内容,CCD： CCD即电荷耦合器件，是由若干小光敏元紧密排列而成，它是以电荷作为信号，通过电荷的存储与转移来实现光电信号的转换与检测，是可成像器件。,获取光斑位置的方法：光斑图像提取,二、课题主要研究内容,CCD： 优点：CCD具有灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大等优点。 缺点：1、像素间信号的响应存在着响应不一致 性，将影响光斑的检测精度。 2、像元的尺寸制约了光斑检测的空间分辨率。,二、课题主要研究内容,PSD： PSD即位置敏感器件，它属于半导体器件，一般做成P+I+N结构，是一种基于横向光电效应研制而成的光电探测器件。,二、课题主要研究内容,PSD： 优点：高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单 缺点：非线性 光斑位置计算公式（四边形PSD）：,二、课题主要研究内容,QD： QD即四象限探测器，它由四支相互独立的光电二极管组成，相对于四象限探测器的四个光敏面，当光照射到这四个面上时，光电二极管将产生电信号输出。,二、课题主要研究内容,QD： 优点：高灵敏度，动态范围大，响应速度快，配置电路简单等。 缺点：1、存在死区（每个象限探测器之间的沟道） 2、每个象限之间存在不一致性。光斑位置计算公式：,总结： 针对以上三种光电探测器件，对他们存在的缺陷进行理论分析和算法改进。 1、对于PSD的非线性现在普遍有两种改进的方法，一种是神经网络的方法，根据多次测量数据训练补偿其非线性，第二种是公式修正法，对原有的加减法进行理论修正。,2、死区对QD的影响很大，中科院光电技术研究所的母杰对其进行了分析，但对其补偿的算法研究的尚少。,二、课题主要研究内容,3、 针对已选取的器件分析光斑大小，光斑形状，背景噪声和暗电流噪声对其影响，并选择适当的算法进行补偿。 4、搭建试验平台对算法的可行性进行验证,二、课题主要研究内容,多光束发射和大孔径接收技术研究： a、研究湍流大气中光束的传输理论，基于Rytov近似的弱湍流起伏理论和基于Markov近似的强湍流起伏理论，建立多光束传输的理论数学模型，并对模型进行仿真分析和研究。 Rytov近似的弱湍流：Markov近似的强湍流：,二、课题主要研究内容,多光束发射和大孔径接收技术研究： b、现在所建立的模型中大多数都没有考虑发射端与接收端的对准误差，而对准误差对整个系统十分重要，需要考虑。 c、在已建立的模型的基础上，分析传输距离、发射光束数目，发射孔径间距离 和接收孔径对多光束传输中光强起伏分布的影响。 d、搭建一套多光束传输系统的通信端机，通过试验验证已建立的多光束传输的数学模型的有效性。,三、实验方案及可行性分析,激光光斑位置精密检测技术研究,选择适当波长的激光器，使该波长在光电探测器响应度最高点附近。将激光器和探测器都放在光学平台上，使其都在同一个光轴，探测器输出的光电流经过I/V转换电路输出电压信号，再经过信号滤波和放大电路、A/D转换电路输入到PC机上，对采集的数据进行分析。在最终所选器件上分析光斑大小和光斑形状对光斑位置检测的影响，和发射与接收光轴成不同角度时，对光斑位置检测的影响等。,多光束发射和大孔径接收技术研究： 建立多光束传输的理论数学模型，并对模型进行仿真分析和研究，在已建立信道模型的基础上，分析传输距离、发射光束数目，发射孔径间距离，接收孔径对多光束传输中光强起伏分布的影响。通过分析所得数据通过合作搭建一套多光束传输系统的通信端机，在已搭建的通信端机间进行5km、10km、15km试验，通过试验数据验证建立的多光束传输的数学模型是否有效。,三、实验方案及可行性分析,四、预期目标和创新点,预期目标：（1）在已搭建的光斑位置检测试验平台实现10urad以内的光斑检测精度。（2）在已搭建的多光束传输通信端机传输在相同的发射功率和相同的传输距离，接收灵敏度与显著提高。（3）多光束传输通信端机实现20km岛与岛之间大气激光通信。,四、预期目标和创新点,创新点：（1）对CCD、PSD、QD三种光电探测器进行理论和试验分析，并对PSD的线性度和QD的死区影响等性质进行补偿，使光斑检测更加精确。（2）建立多光束传输大气激光通信数学模型，考虑对准误差对其影响，并与单光束传输模型进行对比，更加有效的克服大气湍流对大气激光通信的影响。（3）通过对发射端与接收端光束的精密对准和采用多光束大气激光通信传输机制，有效提高大气激光通信效率。,五、研究进度和具体时间安排,2013.92014.2 查阅大量的文献资料，深入学习大气激光通信和 湍流大气激光传输的理论知识，建立多光束传输 数学模型并进行数值仿真分析。2014.22014.10 选择适当的光电探测器，对所选探测器