星地下行链路光纤耦合光功率概率分布理论及其应用研究

In satellite-to-ground downlink based on fiber coupling receiving technology, coupling optical power from space to single mode fiber deceide link communication success. Random fluctuation of coupling optical power resulted form atmospheric turbulence and tracking error in link. Firstly, this item presents probability distribution theory of coupling optical power. Secondly, the dependence between probability distribution and bit-error-rate of laser link will be given. This work can provide some foundations for the optimization design of satellite-to-ground laser communcation system based on single-mode fiber receiving technology. The research of probability distribution theory of coupling optical power include three aspects. Firstly, probability distribution function of coupling optical power will be built, the interrelation between this function and optical intensity scintillation index and phase fluctuation variance will be given. Secondly, orthogonal decompositon method of phase fluctuation variance will be built in fiber coupling problem. The interrelation between probability distribution function of coupling optical power and orthogonal terms will be obtained. Then we can use adaptive optics technology to decrease and eliminate the fluence of orthogonal terms, and obtain high-level and stable coupling optical power. Thirdly, The interrelation between probability distribution function of tracking error variance will be obtained. The aforementioned research is significant in the optimizing design of satellite-to-ground downlink laser communication system and the development and application of satellite laser communication technology.

在采用光纤耦合接收方式的星地下行激光链路中，空间光至单模光纤耦合光功率是决定链路通信成败的关键因素。激光链路的大气湍流效应和跟瞄误差导致耦合光功率随机起伏。本项目首先研究并建立耦合光功率概率分布理论，其次作为该理论的应用，研究耦合光功率概率分布与激光链路通信误码率之间依赖关系，为基于光纤耦合接收的星地下行激光链路系统优化设计奠定理论基础。研究耦合光功率概率分布理论包含三方面工作，即通过理论分析和实验验证，建立耦合光功率概率分布函数对大气湍流光强闪烁指数和相位起伏方差依赖关系；建立光纤耦合过程中相位起伏方差的正交化分解方法，获得耦合光功率概率分布函数与各个正交分解项依赖关系，利用自适应光学降低甚至消除这些正交分解项的影响，获得高水平的稳定耦合光功率；建立耦合光功率概率分布函数对跟瞄误差方差的依赖关系。上述研究对优化星地下行链路激光通信系统设计和推动卫星激光通信技术的发展与应用具有重要意义。

当前，随着对信息传输量的巨大需求，急需在空间建立高速实时信息传输网。卫星激光通信技术是建立空间高速实时信息网的唯一有效手段，该领域已成为国际新兴的研究热点，欧空局、美国及日本等发达国家制定了一系列的研究计划。目前，卫星光通信技术逐渐从地面模拟实验走向了空间实验，不久的将来，全球通信体系将是一个空间无线光网和地面光纤网连接在一起的天地一体化通信体系。.本项目针对星地下行链路中空间激光到单模光纤耦合光功率的概率分布理论进行研究，获得适合光纤耦合接收系统的自适应光学模型，给出自适应系统对跟瞄误差方差的要求。在此基础上，进一步深入分析耦合光功率对星地下行链路系统通信性能的影响。主要研究内容包括：1) 星地下行链路大气湍流对空间光至单模光纤耦合光功率概率分布研究。2) 建立基于加权孔径正交多项式的自适应光学补偿模型。3) 对基于正交多项式自适应补偿系统中接收机跟踪误差影响进行研究。4) 大气湍流对光纤耦合接收方式下光通信系统接收性能的影响研究。.项目取得成果的主要包括总结项目研究过程中的科学问题，并发表学术论文5篇，已获授权的国防发明专利6项，申请国家发明专利1项。学术论文发表在光学领域重要期刊Results in Physics、Optical Engineering、Applied Optics以及OPTICS EXPRESS等。.基于项目研究成果所获总结的技术方法和授权的专利已成功应用于实践十三高轨星地双向高速通信试验项目，在轨试验中取得了良好的效果。实践十三高轨星地双向高速通信试验验证，试验取得圆满成功，该项目获2018年国防科技进步一等奖，并获得2017年度中国高等学校十大科技进展，为我国的卫星激光通信技术的发展和应用奠定了坚实的基础。