自适应光学相位校正残差空时特性对相干激光通信性能的影响

Adaptive optics system (AO) could notably improve the performance of satellite to ground laser communication. However, the application of AO in coherent laser communication link has been impeded because of the insufficient theoretical study in the intersection of adaptive optics and coherent laser communication. Our work will be conducted primarily by mathematical investigation and experimental analysis as auxiliary. Our project will study the spatial-temporal characteristics of residual wavefront error of AO, and a new scale parameter of residual wavefront error would be introduced to evaluate the performance of AO correction in spatial and temporal domains. We will also study the effect of the random process of adaptive optical wavefront correction to the performance of coherent laser communication by solving the coherent efficiency function. Finally we will work for establishing the theoretical models which associate the adaptive optics system parameters with coherent laser communication performance. We believe that the research is beneficial to guide the design and test of the AO in coherent laser communication link, and our work would greatly contribute to the development of satellite to ground laser communication.

自适应光学系统能够显著改善卫星对地激光通信链路性能，但是两者的关联理论尚有不足，阻碍了自适应光学系统在相干激光通信中的应用。本项目以理论研究为主、实验研究为辅，探索自适应光学相位校正残差的空时特性，引入相位残差尺度参数同时在空时域上表征自适应光学相位校正性能；通过求解自适应光学相位校正条件下的相干效率方程，研究相位校正随机过程对通信误码性能的影响，建立自适应光学系统参数与相干激光通信性能之间的关联模型。本项目的研究成果，能够为应用于相干激光通信的自适应光学系统设计提供一种理论依据和评价方法，促进星地激光通信的发展。

由于信息获取频率的巨大差异，面向高速光通信和天文成像的自适应光学系统(AO)的特征差异在于其可用度不同，通信AO属于高可用度系统，成像AO属于低可用度系统，因此当前基于系综平均理论的AO分析与设计方法无法满足通信AO研究的需求，面向通信的AO的研究必须采用概率分析方法。.本项目中，我们首先建立了自适应光学相位校正下的大气激光相干通信系统性能的理论方程，该方程定义了新的相干效率变量，实现了相位与振幅因素的分离处理，解决了由于AO系统对于通信性能影响的独立精确分析，为大气相干激光通信系统终端以及自适应光学系统设计部署奠定严格的理论基础。.基于该方程的理论需求，我们研究了自适应光学相位矫正随机过程的概率特征，获得了控制带宽受限下的自适应光学相位残差方差的时序概率密度函数，并进一步获得了长短曝光斯特列尔比的概率密度函数，以及AO系统可用度计算。这部分研究为建立完全的自适应光学系统概率理论奠定了基础。.在研究的最后一部分，我们研究了闪烁对于大气激光相干通信性能的影响，从理论上得出这一因素可以用接收孔径上的平均振幅的平方来刻画，这个参数拓展了大气相干激光通信应用中闪烁的内涵，新“闪烁”效应分别有传统闪烁(总功率起伏)和散斑统计构成。但是这两个参数的概率密度函数都缺乏可靠的理论结果，更严重的是当前基于系综平均的理论基础也无法给出概率结果，这是当前大气光学研究的理论危机。