空间相干激光通信技术（精装版）

　　近年来，随着卫星互联网概念的兴起，星间骨干网络对于数据传输容量的需求暴增。传统的微波星间通信技术存在损耗大、载波频率低等问题，同时由于卫星平台的重量和功耗等受限，不能满足应用需求。空间激光通信技术具有抗干扰能力强、安 全性高、通信速率高、无电磁频谱限制等优势，是星间通信的首 选技术。空间相干激光通信技术与非相干探测通信技术相比，可以获得更高的探测灵敏度，具备全天时工作能力。本书从空间相干激光通信背景出发，系统阐述激光通信系统的体系结构、链路预算、光跟瞄等内容。通过阅读本书，读者可以系统地了解空间相干激光通信技术的基本原理和核心关键技术。另外，本书对于激光通信的系统设计具有重要的参考价值，是作者近年来在空间相干激光通信技术领域的研究总结，适合激光通信、激光测量和信号处理等相关领域的科技人员参考使用，也可以作为高等院校相关专业的教学和研究资料。

　　孙建锋 中国科学院上海光学精密机械研究所研究员，中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室副主任，主要从事空间激光通信和空间激光相干雷达方面的研究。作为型号主任设计师承担了我国星地高速相干激光通信试验任务、北斗三号激光星间链路通信测量一体化任务。

第1章 空间激光通信的现状及趋势 001
1.1　空间激光通信技术　001
1.2　空间激光通信国内外发展现状　001
1.2.1　欧洲　002
1.2.2　美国　007
1.2.3　日本　014
1.2.4　中国　017
1.3　空间激光通信技术发展趋势　019
第2章　空间激光通信基本原理　021
2.1　通信基本原理　021
2.2　通信方式　022
2.3　通信信息量度量　024
2.4　通信性能主要指标　024
2.4.1　通信速率　025
2.4.2　误比特率　025
2.4.3　信道容量　028
2.5　数字基带信号及其频谱特性　030
2.5.1　数字基带信号　030
2.5.2　基带信号的频谱特性　032
2.6　空间激光通信与光纤通信的异同　037
2.7　相干探测原理　038
2.8　典型相干探测体制灵敏度　045
2.8.1　幅度调制外差探测灵敏度　045
2.8.2　FSK调制外差探测灵敏度　047
2.8.3　BPSK调制外差探测灵敏度　048
2.8.4　ASK和PSK调制零差探测灵敏度　049
2.8.5　不同相干探测灵敏度对比　049
2.9　光跟瞄基本原理　050
2.9.1　航天器动力学特性　050
2.9.2　卫星轨道类型　052
2.9.3　卫星轨道描述　054
2.9.4　卫星星座　055
2.9.5　星间链路特性分析　057
2.9.6　卫星平台微振动　062
2.9.7　光跟瞄组成与基本原理　065
2.9.8　光跟瞄系统性能分析与描述　074
2.9.9　光跟瞄系统的稳态误差　082
第3章　相干激光通信链路与系统设计　085
3.1　相干激光通信链路设计　085
3.1.1　激光通信链路传输方程模型　085
3.1.2　典型通信链路分析　094
3.1.3　粗跟踪/捕获链路功率分析　094
3.1.4　精跟踪链路功率分析　095
3.2　光学外差效率　095
3.3　光学瞄准、捕获和跟踪系统　101
3.3.1　PAT系统基本工作原理　101
3.3.2　PAT系统基本组成　103
3.3.3　关键器件及原理　105
3.4　光学系统设计　124
3.4.1　望远镜设计　124
3.4.2　成像光学　128
3.5　其他设计因素和考虑　130
3.5.1　背景光影响　130
3.5.2　提前量　135
3.5.3　多普勒频移　140
3.5.4　时空参考系　141
3.5.5　空间环境特性　150
3.5.6　蒙气差　157
第4章　空间相干激光通信体系和结构　163
4.1　空间相干激光通信终端结构　163
4.2　光学地面站结构　165
4.2.1　大气随机信道　165
4.2.2　地面站典型设计　170
4.3　通信光和信标光收发系统结构　185
4.3.1　通信光、信标光旁轴式结构　185
4.3.2　通信光、信标光同轴式结构　186
4.3.3　通信光、信标光合一式结构　186
4.4　光学捕获跟踪系统结构　187
4.4.1　经纬仪式　187
4.4.2　潜望镜式　191
4.4.3　单反射镜式　191
4.4.4　双棱镜式　193
4.5　光学系统结构设计　203
第5章　相干激光通信系统　207
5.1　单频激光光源　207
5.1.1　激光线宽　207
5.1.2　相对强度噪声　211
5.1.3　波长　213
5.2　光学桥接器　215
5.2.1　180°光学桥接器　216
5.2.2　90°光学桥接器　219
5.3　BPSK相干通信技术　232
5.4　空间多模DPSK相干通信技术　236
5.5　正交相位调制零差相干通信技术　250
5.6　基于通道切换的相干光通信解调技术　254
5.7　高阶调制通信技术　259
5.8　光学锁相环技术　264
5.8.1　激光器相位噪声性质　264
5.8.2　光学锁相环组成和原理　269
5.8.3　光学锁相环的设计　271
第6章　跟瞄光机械系统　277
6.1　复合轴光跟瞄原理　277
6.1.1　粗跟踪系统原理　277
6.1.2　精跟踪系统原理　281
6.1.3　复合轴光跟瞄原理　282
6.2　位置误差信号探测技术　284
6.2.1　四象限探测器位置误差探测技术　284
6.2.2　焦平面探测器位置误差探测技术　288
6.2.3　光学章动位置误差探测技术　289
6.3　摩擦对光跟瞄的影响　293
6.3.1　静态摩擦模型　293
6.3.2　动态摩擦模型　295
第7章　激光终端地面检测验证技术　297
7.1　光束远距离传输模拟原理　297
7.2　卫星激光通信终端光跟踪检测数理基础　301
7.2.1　空间实际条件下的远场衍射　301
7.2.2　地面模拟条件下的近场衍射　306
7.3　模拟远场传播的近场光学跟瞄检验装置　309
7.3.1　发射光束偏转法　309
7.3.2　接收终端偏转法　310
7.4　卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置　311
7.4.1　空间光采样双终端双向远距离动态模拟系统　312
7.4.2　光纤采样双终端双向远距离动态模拟系统　314
7.4.3　光学再生双终端双向动态远距离传输模拟系统　317
第8章　激光光束质量检测技术　321
8.1　激光光束发散度测量技术　321
8.2　激光光束波面测量技术　323
8.2.1　直接波前传感器　324
8.2.2　间接波前传感器　326
第9章　相干激光通信系统设计举例　333
9.1　低轨卫星－低轨卫星相干激光通信系统　333
9.1.1　链路预算　333
9.1.2　通信终端总体方案　335
9.2　高轨卫星-低轨卫星相干激光通信系统　338
9.2.1　链路预算　338
9.2.2　通信终端总体方案　341
9.3　高轨卫星-高轨卫星相干激光通信系统　343
9.3.1　链路预算　343
9.3.2　通信终端总体方案　345
9.4　低轨卫星－光学地面站相干激光通信系统　345
9.4.1　链路预算　345
9.4.2　通信终端总体方案　347
9.5　深空激光通信技术　348
9.5.1　链路预算　348
9.5.2　通信终端总体方案　349
第10章　相干激光通信新技术　353
10.1　微纳卫星激光通信技术　353
10.2　光学相控激光通信技术　354
10.3　多功能一体化激光通信技术　360
10.4　短波激光通信技术　368
参考文献　371

附录A　稳相法一维相位函数的傅里叶变换近似求解　387
附录B　四元数　389
附录C　星历解算方法　391
附录D　光纤放大器噪声　399
附录E　IQ电光调制器　403