大气激光通讯仿真

题目：基于optisystem的大气激光通信系统仿真研究

摘 要

本文在介绍大气激光通信系统基本原理和组成的基础上，对optisystem子系统结构进行了理论设计，并对APT技术算法进行了深入研究。通过对通信系统工作波长选择、光学天线选择等阐述，选择了1550 t'／m作为系统工作波长、卡塞格伦(Cassegrain)收发合一天线作为系统光学天线；通过对optisystem子系统功率测算、束散角和瞄准误差、误差提取信号等的讨论，给出了optisystem子系统结构和理论设计指标，并将其与现有的大气激光通信系统进行比较。说明该设计方案是可行的。由于在拟用环境中对系统机动性要求较高，因此本文着重对optisystem技术中的超前校正进行了分析。为了能够较好的给出运动终端的超前正值，必须了解终端的运动特性，本文对海上舰船运动进行了数值仿真，给出了二级海浪下18kn速度航行的运动时间历程．并在此基础上讨论了滑动窗多项式拟合预测算法(SPFM)，对该算法与普通的多项式外推预测进行了比较，对模型进行了适应性修正，并对算法的参数：系统采榉频率、滑动窗大小、拟合多项式指数进行了优化。最后通过计算机仿真说明在预测海上舰船运动时要求采样频率大于4 Hz，滑动窗大小取10"-20，多项式为3或4阶时计算量和误差较小，预测效果较好。当舰船速度从0到30kn节之间变化时，发现预测误差有所增大，当到一定速度之后其预测误差保持不变。关键词光无线通信，APT，最／J、--乘法，运动仿真注：拥是舰船运动速度单位，lkn=1海里，小时=I．85公里，小时。

Abstract

Based on the basiceofies and composition of optical wireless commu。

nication system，the structure design of its APT(Acquisition，Pointing，Tracking)sub—system and further research on APT technical algorithm have

been discussed theoretically in this thesis．1550rim is chosen as the work

wavelength，Cassegrain transmitting-receiving antenna as the optical

antenna ofthe system through the elucidation ofhow to choose the work

wavelength and optical antenna ofcommunication system．The structure and

theoretical design parameter ofAPT subsystem have been presented through

the discussion ofthe optical signal power estimation of APT sub-system，beam divergence angle，pointing error，and error signal

extraction．Compared with existed optical wireless communication system，the design scheme proves applicable．Because of high requirement of

maneuverability for the system，the beforehand emendation in APT

technology has been analyzed with great exertion in the last part of the

thesis．To obtain beRer value of beforehand emendation for maneuvering

terminals，the movement chamcteristics of terminal must be understood

well．Firstly，the motion time course for speed of 1 8kn under the condition

of second level ocean wave was given through the numerical simulation of

naval ships．Secondly，SPFM(Sliding Polynomial Fitting Method) was

discussed and the arithmetic has been compared with PFM(Polynomial Fiuing

Method)．Meanwhile，the model WaS corrected，and the parameters of

arithmetic·-system sampling frequency，the length of sliding window and

the

exponent of fitting polynomial—·have been optimized．Finally，the small

computing load and error，and the beRer estimation effect can be obtained

when sampling frequency is more than 4Hz and sliding window is between

10 and 20 and polynomial exponent equals 3 or 4 by the computer-based simulation．When the speed of naval ships varies from 0 to 30kn，the

estimated error is found increased．While the naval ships reach a certain

speed，the estimated error will keep constant．

Keywords：Optical wireless communication，APT,Least squares Method，

Motion Simulation

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

第一章 绪论

大气激光通信曾掀起研究的热潮，但自从70年代光纤通信的迅速发展以及大气光通信受到天气的严重影响，使得一度辉煌的空间光通信研究陷入低谷。但随着对超稳激光器、新型光束控制器、高灵敏度和高数据率接收器和适合空间应用的先进通信电子设备的研究基本成熟，大气激光通信又成为下一代光通信的发展方向之一。

1．1课题背景、目的及意义

大气激光通信不仅包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星间的光通信，还包括地面站的光通信，有GEO--GEO、IGEO—LEO、LEO--LEO、LEO一地亟等多种形式。本论文是教研室“1．55urn激光大气通信系统的设计与研究”课题的一部分。为了更好的了解光无线通信的基本情况，以下将从星际空间光通信、地面无线光通信两个方面对其做简要介绍。

1.1.1、星际空间光通信

图1--1空间一地面光无线通信添统示意图

随着国家信息基础设旌NII(National Information Infrastructure)和全

球信息基础设旖GII(Global Information Infrastructure)的提出，社会对通信的要求越来越高。而目前卫星通信所采用的微波通信技术因受到体积、重量、

功耗等方面的严格限制不能无限制地提高传输速率与容量。在卫星通信日益

拥挤的今天，光波段通信有极大的潜力，是实现高速大容量通信的最佳方案，甚至可以说是难一的解决方案。这已经是通信领域许多专家的共识。实际上，世界各主要技术强国为了争夺空间激光通信这～领域的技术优势，已经投入了大量的人力和物力，并取得了可喜的进展。星际空间激光通信包括深空、同步轨道(OEO)、中轨道(MEO)、低轨道(LEO)_-E星间的激光通信，还包括卫星与地面站之间的激光通信。在卫星通信中，使用激光与使用微波相比，具有不少独特的优点：

I）、与微波相比，光波频率高3～5个数量级，频率资源丰富得多，可以获得高得多的数据传输速率，能清足大容量传输的要求，并为实现空闯多任务提供了对间保障。

2）、激光波束比微波波束的发散角小3～5个数量级，这将大大增加接收端的电磁波能量密度，有利于终端减轻重量、减少体积，降低功耗。

3）、保密和抗干扰性能极好，这对军事应用十分有利。

1.1.2、地面无线光通信

近几年来。人们对宽带多媒体业务的需求促进了整个通信网络的宽带化发展，光波是宽带信息的最理想竣体，光纤通信的迅速发展已证明了这一点。与光纤通信的应用领域有所不同，光无线通信适合于宽带无线接入。近几年来，随着计算机网络宽带化的发展，提出了用光无线接入技术来解决宽带接入中“最后一公里”的问题。与无线电相比，光的频率高、能量集中、方向性强、可用频谱宽，无需向频谱管理部门申请频率使用许可证，并可防止通信相互干扰和窃听。与光纤通信相比，它育造价低、施工简便、迅速等优势。无线光通信技术适会予下列应用场合; 在有强电磁干扰的场所；一些不宣布线的场所，比如在具有纪念意义的古建筑，危险性大的工厂、车间：在走线成本高、施工难度大或经市政部门审批困难的场合，如马路两侧建筑物之间、不易架桥的河两岸之间等；一些临时性的场所，如展览厅、短期租用的商务办公室或临时野外工作环境：

一些具有移动性的场合，如使用便携式电脑的交易大厅等。地面无线光通信具体应用系统有：

点到点系统：室外点到点系统可使用高功率发射器来获得足够的功率预算储备。对于距离在视距范围内的情况，如相邻两建筑物间的通信，空气损耗比较低，并且发射器的安装和校准相对于长距离通信要容易，无需自动校准和跟踪装置，所以复杂程度和价格都大大降低。室内点到点系统与室外的工作原理相同，但设计却有所不同。首先它们必须保证对人眼的安全，LED发射器为最佳选择，但传输能力限制在几Mb／s。另一方面，室内系统的工作环境比室外的稳定，无需应付恶劣天气情况的装置，因此造价更低。此外，通信距离在lm以内的超短距离点到