深空光通信

前言

　　行星探測(cè)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(gè)數(shù)量級(jí)。美國(guó)國(guó)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(yàn)證成功之后，光通信進(jìn)入實(shí)現(xiàn)階段。　　本書旨在總結(jié)和記載自20世紀(jì)70年代后期“自由空間光通信組”成立以來(lái)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(lái)完成的研究和研制工作。這些研究的重點(diǎn)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(jī)、地面接收機(jī)和上行鏈路發(fā)射機(jī)技術(shù)?！　?5年來(lái)，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(cè)器、探測(cè)器陣列和光纖技術(shù)的快速發(fā)展。因此，研究組的相當(dāng)一部分研究集中于應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)。本書旨在帶領(lǐng)新人進(jìn)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(bào)。作為一種情報(bào)資料，應(yīng)能幫助本領(lǐng)域人員增進(jìn)基礎(chǔ)知識(shí)并掌握多種重要設(shè)計(jì)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(jì)驅(qū)動(dòng)因素、影響光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)、大氣透射比、背景光和天空輻射率、激光束穿過(guò)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(cè)光場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)模型、調(diào)制形式、調(diào)制約束帶來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸率限制、各種不編碼光學(xué)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(zhǔn)子系統(tǒng)。

內(nèi)容概要

本書共7章。第1章概述了噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(jì)要求，分析了影響光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)、大氣透過(guò)率、背景光和天空輻射、激光束通過(guò)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(duì)深空光通信技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用進(jìn)行了展望。    本書主要面向從事深空探測(cè)、空間光通信研究的科研人員、項(xiàng)目管理者，也可作為相關(guān)專業(yè)研究生的教學(xué)參考資料。

書籍目錄

第1章 緒論James R.Lesh　1.1 增強(qiáng)通信能力的誘因　1.2 JPL光通信活動(dòng)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(jī)　　1.3.2 航天器載望遠(yuǎn)鏡　　1.3.3 捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)(ATP)　　1.3.4 探測(cè)器　　1.3.5 濾光器　　1.3.6 糾錯(cuò)編碼　1.4 飛行終端開發(fā)　　1.4.1 光學(xué)收發(fā)組件　　1.4.2 光通信驗(yàn)證設(shè)備　　1.4.3 激光通信的測(cè)試評(píng)估站　　1.4.4 X2000飛行終端　　1.4.5 國(guó)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(yuǎn)鏡的成本模型　　1.5.2 深空光學(xué)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(jìn)通信系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)研究　　1.5.6 地球軌道光學(xué)接收終端研究　　1.5.7 EOORT混合研究　　1.5.8 球形地面主望遠(yuǎn)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(jí)研究　　1.9.1 金星雷達(dá)測(cè)繪任務(wù)研究　　1.9.2 合成孔徑雷達(dá)-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(jí)驗(yàn)證　　1.10.1 “伽利略”光學(xué)實(shí)驗(yàn)　　1.10.2 補(bǔ)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)　　1.10.4 地-地驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)　1.11 其他通信功能　　1.11.1 光學(xué)測(cè)軌導(dǎo)航　　1.11.2 光科學(xué)測(cè)量　　　1.12 前景　　1.12.1 光通信望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)室　　1.12.2 無(wú)人機(jī)—地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)　　1.12.3 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)　　1.12.4 光學(xué)接收機(jī)和動(dòng)態(tài)探測(cè)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)　參考文獻(xiàn)第2章 鏈路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)Chien-Chung Chen　2.1 深空激光通信鏈路概述　2.2 通信鏈路設(shè)計(jì)　　2.2.1 鏈路方程和接收信號(hào)功率　　2.2.2 光學(xué)接收機(jī)靈敏度　　2.2.3 鏈路設(shè)計(jì)的綜合考慮　　2.2.4 通信鏈路預(yù)算　　2.2.5 鏈路可用性問(wèn)題　2.3 光束瞄準(zhǔn)與跟蹤　　2.3.1 下行鏈路光束瞄準(zhǔn)　　2.3.2 上行鏈路光束瞄準(zhǔn)　　2.3.3 描準(zhǔn)捕獲　2.4 其他設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)因素和考慮　　2.4.1 系統(tǒng)質(zhì)量和功耗　　2.4.2 對(duì)航天器設(shè)計(jì)的影響　　2.4.3 激光安全性　2.5 小結(jié)　參考文獻(xiàn)第3章 大氣信道Abhijit Biswas and Sabino Piazzolla第4章 光學(xué)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(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1.3.5　濾光器　　在鏈路的接收端，探測(cè)器前面需要加窄帶濾光器，尤其是在地面白天接收時(shí)。窄透過(guò)波段可消除許多背景光干擾，但透過(guò)率必須足夠高，以避免所需信號(hào)有過(guò)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(guò)能力譜段的選擇?！　∵@種類型中研究的一款是夫瑯禾費(fèi)濾光器。在太陽(yáng)光譜中，存在幾個(gè)窄區(qū)，其中太陽(yáng)光球中的光能被某些介質(zhì)所捕獲，它們是太陽(yáng)光譜中陽(yáng)光實(shí)際變暗的區(qū)域（或至少不是那么亮）。選用對(duì)應(yīng)于夫瑯禾費(fèi)線的激光線，再用一個(gè)同該線匹配的干涉濾光器，則就可在很低的背景干擾下進(jìn)行通信。早期感興趣的一個(gè)激光波長(zhǎng)是倍頻Nd：YAG激光的532nm。太陽(yáng)光譜在532nm附近存在幾處低譜線?！　榱诉_(dá)到真正的窄通帶（小于1nm），有必要使用多個(gè)基于材料中原子躍遷的濾光器。原子共振濾光片（ARF）能達(dá)到亞納米的帶寬。不過(guò)，由于這些濾光器的工作依賴于吸收某個(gè)波長(zhǎng)上的光子和另一個(gè)新波長(zhǎng)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(wèn)題，在20世紀(jì)90年代早期，進(jìn)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(guò)一個(gè)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(huì)經(jīng)受一個(gè)偏振旋轉(zhuǎn)。同受激發(fā)氣體不精確共振的光線，將會(huì)通過(guò)原子盒而沒(méi)有偏振旋轉(zhuǎn)。在盒的輸出端放置一個(gè)正交偏振器，則僅有精確共振的光線可以通過(guò)。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。　　1.3.6　糾錯(cuò)編碼　　最后，需要討論的關(guān)鍵技術(shù)是光學(xué)編碼。如前所述，最初的多比特／檢測(cè)光子驗(yàn)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(gè)8b字符可指定256個(gè)脈沖位置的哪一個(gè)用于該字符，因此RS字母同PPM調(diào)制相匹配。

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