面向星地激光通信的红外云成像系统研究

作     者：张智勇 

作者单位：南京大学 

学位级别：硕士

导师姓名：方元

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：星地激光通信 云 红外成像仪 全天空云图像 

摘      要：随着星地空间通信数据量的飞速增长,传统微波链路的传输速率的发展难以充分满足未来星地骨干网络发展需求。在这种情况下,空间激光通信凭借其传输速率高、可用带宽大、抗电磁干扰能力强和保密性好等优点成为解决星地通信瓶颈选择之一。但是,星地激光通信大气传输可靠性差,云、雾、雨等都会对链路造成影响,其中最关键的就是云层的吸收。因此,需要对可供选择的地面站点所处上空的云层数据进行长期的测量监视统计。本文的研究内容和贡献主要分为一下三个方面。首先,针对星地激光通信中云层的干扰,本文设计并实现了一种红外云成像系统,用于长期测量和分析地面站上空云覆盖情况,根据云辐射特性,结合大气辐射传输软件MODTRAN4,对云层进行了检测和分类,得到了云的光学深度来表示云层对激光的衰减程度,并对云底高度进行了反演。然后为了进一步提高云图像准确性,本文提出一种补偿焦平面阵列温度漂移算法,通过对红外相机进行建模分析,校正了非制冷红外相机随着外界温度变化的输出响应。该算法能够提升非制冷红外相机在外界环境下的输出图像准确率。最后本文针对单相机成像视场角不足的问题,通过拼接多个相机,在保证高时空分辨率的基础上,实现了全天空云图像。综上所述,本文设计了红外云成像仪系统,用于昼夜实时采集地面站站点上空的云数据,具有很高的时间分辨率和空间分辨率,并进一步对云红外图像进行辐射定标和数据处理,获取云的光学深度、云高等特性,以此来为建立有效的星地激光通信链路提供可靠服务。通过上述工作,本文所设计的红外云成像仪系统能够为星地激光通信提供可靠的服务。