深空光通信

前言

　　行星探測航天器日益增加的資料需求，促使通信頻率從射頻頻段向光和近紅外波段發(fā)展。這種變遷可使數(shù)據(jù)傳輸率比傳統(tǒng)射頻鏈路提高1～2個數(shù)量級。美國國家航空航天局（NASA）早期的航天器通信基本都采用s波段，10多年后增加了X波段，20多年后在深空任務(wù)中開始采用Ka波段。在光波段，正處于技術(shù)逐步成熟和演示階段，有望在一系列令人信服的技術(shù)演示驗證成功之后，光通信進入實現(xiàn)階段?！　”緯荚诳偨Y(jié)和記載自20世紀70年代后期“自由空間光通信組”成立以來噴氣推進實驗室（JPL）所取得的光通信研究成果。書中概述了JPL光通信組研究人員以及全球其他光通信研究人員20余年來完成的研究和研制工作。這些研究的重點一直是深空光通信。最近幾年，也研究了不少近地通信技術(shù)，研究了航天器載收發(fā)機、地面接收機和上行鏈路發(fā)射機技術(shù)?！　?5年來，部件和子系統(tǒng)研究經(jīng)歷了頻繁調(diào)整，以跟上激光器、探測器、探測器陣列和光纖技術(shù)的快速發(fā)展。因此，研究組的相當一部分研究集中于應(yīng)對這種挑戰(zhàn)。本書旨在帶領(lǐng)新人進入這一嶄新領(lǐng)域，并為希望了解光通信現(xiàn)狀的人提供豐富的情報。作為一種情報資料，應(yīng)能幫助本領(lǐng)域人員增進基礎(chǔ)知識并掌握多種重要設(shè)計方案及其關(guān)鍵差異。本書還希望能提供有關(guān)部件及子系統(tǒng)技術(shù)、基本限制、最新水平的信息及研究和廣泛探索新技術(shù)的途徑?！　”緯?章，第1章是深空光通信技術(shù)和JPL深空光通信技術(shù)開發(fā)史。第2章介紹鏈路及系統(tǒng)設(shè)計驅(qū)動因素、影響光通信系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)以及本書所討論的相應(yīng)鏈路參數(shù)的鏈路控制表。第3章介紹大氣信道，討論云覆蓋區(qū)統(tǒng)計、大氣透射比、背景光和天空輻射率、激光束穿過湍流大氣層傳播和影響地面接收站址選址的大氣因素。第4章是調(diào)制和編碼，包括被檢測光場的統(tǒng)計模型、調(diào)制形式、調(diào)制約束帶來的數(shù)據(jù)傳輸率限制、各種不編碼光學調(diào)制方案的性能、光信道容量、光調(diào)制的信道代碼以及各種編碼光調(diào)制的性能。第5章是構(gòu)成飛行終端的各子系統(tǒng)。5.1 節(jié)是捕獲、跟蹤和瞄準子系統(tǒng)。

內(nèi)容概要

本書共7章。第1章概述了噴氣推進實驗室（JPL）研發(fā)深空光通信技術(shù)的歷史。第2章介紹了深空光通信鏈路及系統(tǒng)設(shè)計要求，分析了影響光通信系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)。第3章介紹了星地光通信鏈路中大氣信道的影響，討論了層覆蓋統(tǒng)計、大氣透過率、背景光和天空輻射、激光束通過湍流大氣層傳播和影響地面接收站選址的大氣因素。第4章介紹了深空光通信的調(diào)制和編碼。第5章介紹了飛行終端各子系統(tǒng)。第6章介紹了地面終端體系結(jié)構(gòu)。第7章對深空光通信技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用進行了展望。    本書主要面向從事深空探測、空間光通信研究的科研人員、項目管理者，也可作為相關(guān)專業(yè)研究生的教學參考資料。

書籍目錄

第1章 緒論James R.Lesh　1.1 增強通信能力的誘因　1.2 JPL光通信活動的歷史　1.3 關(guān)鍵組件/子系統(tǒng)和技術(shù)　　1.3.1 激光發(fā)射機　　1.3.2 航天器載望遠鏡　　1.3.3 捕獲、跟蹤與瞄準(ATP)　　1.3.4 探測器　　1.3.5 濾光器　　1.3.6 糾錯編碼　1.4 飛行終端開發(fā)　　1.4.1 光學收發(fā)組件　　1.4.2 光通信驗證設(shè)備　　1.4.3 激光通信的測試評估站　　1.4.4 X2000飛行終端　　1.4.5 國際空間站飛行終端　1.5 接收系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)研究　　1.5.1 地面望遠鏡的成本模型　　1.5.2 深空光學接收天線　　1.5.3 深空中繼衛(wèi)星系統(tǒng)研究　　1.5.4 地面天線技術(shù)研究　　1.5.5 先進通信系統(tǒng)優(yōu)勢研究　　1.5.6 地球軌道光學接收終端研究　　1.5.7 EOORT混合研究　　1.5.8 球形地面主望遠鏡　　1.5.9 天基和地基接收權(quán)衡　1.6 大氣透射　1.7 背景光的影響　1.8 分析工具　　1.9 系統(tǒng)級研究　　1.9.1 金星雷達測繪任務(wù)研究　　1.9.2 合成孔徑雷達-C自由飛行器　　1.9.3 ER-2到地面研究　　1.9.4 千天文單位距離航天任務(wù)和恒星際任務(wù)研究　1.10 系統(tǒng)級驗證　　1.10.1 “伽利略”光學實驗　　1.10.2 補償式地-月-地后向反射器激光鏈路　　1.10.3 地面/軌道器激光通信驗證實驗　　1.10.4 地-地驗證實驗　1.11 其他通信功能　　1.11.1 光學測軌導航　　1.11.2 光科學測量　　　1.12 前景　　1.12.1 光通信望遠鏡實驗室　　1.12.2 無人機—地面驗證實驗　　1.12.3 自適應(yīng)光學系統(tǒng)　　1.12.4 光學接收機和動態(tài)探測器陣列　　1.12.5 其他形式地面接收系統(tǒng)　1.13 火星激光通信驗證實驗　參考文獻第2章 鏈路與系統(tǒng)設(shè)計Chien-Chung Chen　2.1 深空激光通信鏈路概述　2.2 通信鏈路設(shè)計　　2.2.1 鏈路方程和接收信號功率　　2.2.2 光學接收機靈敏度　　2.2.3 鏈路設(shè)計的綜合考慮　　2.2.4 通信鏈路預(yù)算　　2.2.5 鏈路可用性問題　2.3 光束瞄準與跟蹤　　2.3.1 下行鏈路光束瞄準　　2.3.2 上行鏈路光束瞄準　　2.3.3 描準捕獲　2.4 其他設(shè)計驅(qū)動因素和考慮　　2.4.1 系統(tǒng)質(zhì)量和功耗　　2.4.2 對航天器設(shè)計的影響　　2.4.3 激光安全性　2.5 小結(jié)　參考文獻第3章 大氣信道Abhijit Biswas and Sabino Piazzolla第4章 光學調(diào)制與編碼Samuel J. Dolinar，Jon Hamkins，Bruce E.Moision，and Victor A. Vilnrotter第5章 飛行收發(fā)器Hamid Hemmati，Gerardo G. Ortiz，William T. Roberts，Malcolm W. Wright，and Shinhak Lee第6章 地球終端體系結(jié)構(gòu)Keith E.Wilson，Abhijit Biswas，Andrew A.Gray，Victor A.Vilnrotter，Chi-Wung Lau，Meera Srinivasan，and William H.Farr第7章 發(fā)展前景與應(yīng)用Hamid Hemmati and Abhijit Biswas參考文獻

章節(jié)摘錄

　　1.3.5　濾光器　　在鏈路的接收端，探測器前面需要加窄帶濾光器，尤其是在地面白天接收時。窄透過波段可消除許多背景光干擾，但透過率必須足夠高，以避免所需信號有過多的損失。多介質(zhì)濾光器是常用的濾光器，但受限于有足夠透過能力譜段的選擇?！　∵@種類型中研究的一款是夫瑯禾費濾光器。在太陽光譜中，存在幾個窄區(qū)，其中太陽光球中的光能被某些介質(zhì)所捕獲，它們是太陽光譜中陽光實際變暗的區(qū)域（或至少不是那么亮）。選用對應(yīng)于夫瑯禾費線的激光線，再用一個同該線匹配的干涉濾光器，則就可在很低的背景干擾下進行通信。早期感興趣的一個激光波長是倍頻Nd：YAG激光的532nm。太陽光譜在532nm附近存在幾處低譜線?！　榱诉_到真正的窄通帶（小于1nm），有必要使用多個基于材料中原子躍遷的濾光器。原子共振濾光片（ARF）能達到亞納米的帶寬。不過，由于這些濾光器的工作依賴于吸收某個波長上的光子和另一個新波長上相應(yīng)的輻射，因此這些濾光器不能用在捕獲與跟蹤系統(tǒng)的前面。新光子的產(chǎn)生依賴于輸入光子能量的吸收，但不能保持輸入光的角方向。為了克服這一問題，在20世紀90年代早期，進行了濾光器的研究，該濾光器產(chǎn)生的偏振旋轉(zhuǎn)，源自某些泵浦氣體的異常色散相移。研究了兩種形式的濾光器：法拉第異常色散濾光器（FADOF）和斯塔克移相器異常色散濾光器（SADOF）。這兩種濾光器的工作模式都是將偏振光通過一個原子盒，如果輸入光束同盒內(nèi)受激發(fā)氣體正好共振，則由于氣體的異常色散，輸入光束將會經(jīng)受一個偏振旋轉(zhuǎn)。同受激發(fā)氣體不精確共振的光線，將會通過原子盒而沒有偏振旋轉(zhuǎn)。在盒的輸出端放置一個正交偏振器，則僅有精確共振的光線可以通過。此外，由于光線不是被吸收后重新輻射，這就保留了共振光線的角方向。SADOF濾光器的結(jié)構(gòu)如圖1—7所示?！　?.3.6　糾錯編碼　　最后，需要討論的關(guān)鍵技術(shù)是光學編碼。如前所述，最初的多比特／檢測光子驗證采用了加主字母（8b字母）RS編碼的高階PPM調(diào)制（256PPM）。由于每個8b字符可指定256個脈沖位置的哪一個用于該字符，因此RS字母同PPM調(diào)制相匹配。

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