移动激光通信系统光学智能天线波束形成方法研究

由于大气效应和目标相对运动的影响非常显著，基于步进电机或振镜等传统机械方法的捕获、对准和跟踪（APT）技术无法满足移动（特别是快速移动）激光通信（FSO）要求。本项目针对移动FSO的定位问题，研究基于光学智能天线波束形成的理论和方法，探索目标运动情况下的APT新途径。为此，分析了不同通信距离和不同运动速度对智能波束形成的影响，提出光学智能天线模型；提出一种等距（或不等距）和基本（或稀疏）阵元分布方法，解决光学智能天线的效率问题；提出一种可改善定位精度和通信性能的信号光与信标光"合二为一"技术；研究不同通信范围和运动速度下的波束形成机制和定位策略，提出一套完善而高效的光学智能天线波束形成控制方法。本研究所提出的理论和方法，对于各种复杂运动情况下激光通信质量和机动灵活性的提高具有独特优势，对移动FSO系统的实时精确APT技术具有重要的意义。

无线激光通信（WLC）的高带宽，保密性好，抗干扰强等优势使其成为通信领域的研究热点。由于大气效应和目标相对运动的影响非常显著，基于步进电机或振镜等传统机械方法的捕获、对准和跟踪（APT）技术无法满足移动（特别是快速移动）WLC要求。本项目研究基于光学智能天线波束形成的理论和方法，探索目标运动情况下的APT新途径。. 为此，分析了不同通信距离和不同运动速度对智能波束形成的影响，提出了光学智能天线模型，该天线采用自转扫描的工作方式和多收发单元阵列分布。同时提出了一种等距和基本阵元分布方法，解决光学智能天线的效率问题。针对非连续通信中的波束切换问题，研究了不同通信范围和运动速度下的波束形成机制和定位策略，首次提出了一种基于误差修正卡尔曼预测算法（EC-KPA）的波束控制方法。考虑到天线移动的随机性和大气影响，针对EC-KPA和传统卡尔曼预测算法（KPA）的预测精度，我们的仿真结果显示，相比于KPA，在弱噪声环境下EC-KPA的预测精度提高了77.6%，而在强噪声环境下的预测精度提高了91.8%。同时，我们还就预测算法的误差对波束切换的影响进行了仿真分析，结果显示我们提出的波束控制方法是适合该天线的，且该天线完全可以满足高速移动情况下无线激光通信的跟瞄要求。. 上述提出的理论和方法，对于各种复杂运动情况下激光通信质量和机动灵活性的提高具有独特优势，对移动WLC系统的实时精确APT技术具有重要的意义。. 目前，针对多节点间WLC组网的研究报道相对较少，也是该领域的一项新的挑战。我们在借鉴传统无线网络组网技术的基础上，提出了一种适用于多个用户节点间WLC组网的拓扑形成算法——LDT算法和详细的动态应对准则——NM准则。仿真结果表明，相比于已有的算法，LDT算法形成的拓扑结构结合NM准则，在网络连通性和可靠性方面有了明显提高。为大规模WLC通信网络的应用做了很好的前期探索。