深空光通信中多像素光子计数器阵列接收技术研究
作者单位：重庆邮电大学
学位级别：硕士
导师姓名：向劲松
授予年度：2019年
主 题：深空光通信 多像素光子计数器 接收技术 孔径优化 实验系统
摘 要：深空光通信中,脉冲位置调制(Pulse Position Modulation,PPM)和光子探测器阵列两项技术因具有能量效率高和探测效率高等优点而得到广泛应用。而激光信号在传输过程中会受到深空信道中大气湍流、背景光等特性的影响,从而使得接收端的光信号发生扩展、破碎以及强度闪烁等现象。本文针对接收端光信号的特点对接收方案进行改进和优化。首先,针对传统的基于焦平面直接探测接收方案中探测器阵列接收到的光信号分布不均匀问题,本文提出一种基于准直的接收方案。该方案主要在接收天线焦平面处放置一个小孔光阑,激光信号经过小孔光阑后再经准直镜到达光子探测器阵列上。相比于传统的基于焦平面直接探测接收方案,该方案中通过准直镜后到达光子探测器阵列上的光信号更加均匀。另外针对背景光的干扰,本方案中对小孔光阑的孔径大小进行优化,并得到不同条件下对应的最优孔径大小,从而有效抑制背景光的干扰。仿真结果表明,基于准直的接收方案在背景光越大和湍流越强时性能提升更加明显。最优孔径大小也随着背景光和湍流条件的不同而改变。其次,由于多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter,MPPC)是一种具有阵列结构的高性能光子探测模块,能够实现单光子探测,并具有有效探测区域较大的特点。本文针对该特点提出了一种基于单个MPPC的新型阵列接收方案。该方案主要通过将万向支架上多个天线接收到的光信号经多模光纤共同传输至同一个MPPC的有效探测区域。相比于采用多个MPPC的阵列接收方案,该新型阵列接收方案既极大节约了光子探测器的个数,又有效降低了探测器暗计数的影响。仿真结果表明,在背景光较小的情况下,采用该种基于单个MPPC的新型阵列接收方案的系统性能更好。最后,本文搭建了激光通信系统并进行测试。实验中先解决MPPC的光子计数问题,然后采用一种基于频偏和初始相偏直接预测的方法来实现时隙同步。再对加小孔光阑和准直镜的接收方案进行验证。实验结果表明,采用MPPC能够实现极弱光下的光子计数,并在加上小孔光阑和准直镜后系统性能均有一定的提升。
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