《无线光相干通信性能改善极限》主要围绕无线光相干通信性能改善极限，对相干检测灵敏度影响因素、光空间分布对混频效率的影响、自适应光学技术和部分相干光传输技术进行介绍，主要对无线光相干通信基本原理和影响无线光相干通信性能的因素进行阐述；建立涡旋光束相干检测模型，讨论光空间分布对相干检测性能的影响；分析自适应光学技术对信号光波前畸变的校正以及部分相干光传输对相干检测系统灵敏度的影响。
　　《无线光相干通信性能改善极限》探索在学术性与科普性、理论性与实用性之间进行有机融合、合理折中和适当取舍。《无线光相干通信性能改善极限》不仅对无线光通信的前沿理论进行叙述概括，而且对其中的一些关键技术进行分析及实验验证，具有较强的实践特色。

目录
前言
第1章 无线光相干通信国内外研究进展 1
1.1 无线光相干通信发展现状 1
1.1.1 无线光相干通信技术国外发展现状 1
1.1.2 无线光相干通信技术国内发展现状 6
1.2 无线光相干检测技术发展现状 7
1.2.1 无线光相干检测技术国外发展现状 7
1.2.2 无线光相干检测技术国内发展现状 8
1.3 双波长波前畸变校正系统国内外发展现状 10
参考文献 13
第2章 无线光相干通信系统 19
2.1 概述 19
2.2 无线光相干通信系统组成 19
2.2.1 信号调制 21
2.2.2 空间光-光纤耦合 25
2.2.3 光混频 26
2.2.4 双平衡检测 31
2.2.5 偏振控制 33
2.2.6 光源频率控制 36
2.2.7 信号解调 38
2.3 影响相干光通信性能的主要因素 39
2.3.1 调制驱动特性对星座图和误码率的影响 39
2.3.2 信号光偏振态的改变对中频信号幅值的影响 43
2.3.3 信号光与本振光的波前不匹配对混频效率的影响 44
2.3.4 中频信号频率随机漂移对星座图和误码率的影响 45
2.3.5 信号传输带宽与信号光功率对检测灵敏度和误码率的影响 46
参考文献 47
第3章 影响无线光相干检测性能的因素 50
3.1 直接检测与相干检测 50
3.1.1 直接检测 50
3.1.2 相干检测 51
3.2 无线光相干检测国外研究进展 53
3.3 无线光相干检测国内研究进展 57
3.4 影响无线光相干检测极限的因素 60
3.4.1 热噪声和散粒噪声 60
3.4.2 信号光的波前畸变 61
3.4.3 信号光与本振光的偏振失配 62
3.4.4 光斑尺寸偏差和光轴偏转 63
3.4.5 耦合效率 64
3.4.6 检测器的性能 65
3.4.7 前置光放大器 66
3.5 无线光相干检测发展趋势 67
3.6 无线光相干检测未来发展展望 68
参考文献 69
第4章 影响相干检测灵敏度的机制 73
4.1 检测器性能对系统检测灵敏度的影响 73
4.1.1 本振光功率对系统检测灵敏度的影响 73
4.1.2 热噪声对系统检测灵敏度的影响 77
4.1.3 光电二极管量子效率的比例系数对系统检测灵敏度的影响 78
4.2 分束器分束比对系统检测灵敏度的影响 79
4.3 光场模式匹配对系统检测灵敏度的影响 80
4.3.1 本振光为均匀分布 81
4.3.2 本振光为艾里分布 82
4.3.3 本振光为高斯分布 83
4.4 光斑尺寸对系统检测灵敏度的影响 84
4.5 对准误差对系统检测灵敏度的影响 86
4.5.1 轴向误差对系统检测灵敏度的影响 86
4.5.2 径向误差对系统检测灵敏度的影响 89
4.5.3 偏转误差对系统检测灵敏度的影响 90
4.6 部分相干EGSM光束偏振态对相干检测灵敏度的影响 92
4.6.1 部分相干EGSM光束基本理论 92
4.6.2 大气湍流下部分相干EGSM光束偏振态对相干检测灵敏度的影响 95
4.7 部分相干EGSM光束偏振态对系统性能的影响 108
4.7.1 部分相干EGSM光束非偏振态的产生 108
4.7.2 部分相干EGSM光束偏振态对系统性能的影响研究 109
4.7.3 实验结果分析 111
参考文献 114
第5章 光空间分布对混频效率的影响 116
5.1 不同空间分布光束及相干检测 116
5.1.1 不同空间分布光束 116
5.1.2 大气湍流对混频效率的影响 119
5.2 涡旋光与平面波组合模型的混频性能 122
5.2.1 信号光为平面波 123
5.2.2 信号光为涡旋光 134
5.3 大气湍流对涡旋光束相干检测性能的影响 139
5.3.1 大气湍流 139
5.3.2 系统结构 146
5.3.3 涡旋光束相干检测的增益 148
5.3.4 相干检测性能影响因素 152
5.4 涡旋光相干检测性能实验 158
5.4.1 涡旋光相干检测的实验 159
5.4.2 大气湍流对涡旋光相干检测性能的影响实验 161
参考文献 163
第6章 波前畸变对混频效率的影响 165
6.1 多光束传输相干检测原理与波前畸变产生机制 165
6.1.1 多光束传输相干检测 165
6.1.2 大气湍流 167
6.1.3 大气湍流中光信号的波前畸变 169
6.1.4 对比分析 174
6.2 波前畸变对光束传输特性的影响 177
6.2.1 模式法描述的波前畸变 177
6.2.2 圆形孔径中波前畸变影响下的光场分布模型 185
6.2.3 方形孔径中波前畸变影响下的光场分布模型 187
6.3 波前畸变对无线光相干检测系统性能的影响 189
6.3.1 波前畸变引起对准误差 189
6.3.2 波前畸变对混频效率的影响 193
6.3.3 高阶波前畸变的校正补偿算法 194
6.3.4 高阶波前畸变及其校正补偿仿真 197
6.3.5 波前畸变对无线光相干检测系统性能极限的影响 198
6.4 实验验证 204
6.4.1 室内波前畸变校正实验 205
6.4.2 外场波前畸变校正实验 207
6.4.3 1.3km多光束传输实验 209
参考文献 212
第7章 不同波长光信号波前畸变特性分析 214
7.1 不同波长光束在大气湍流中的传输 214
7.1.1 激光在大气湍流中的传输分析方法 214
7.1.2 平面波相位起伏差异分析 217
7.1.3 球面波相位起伏差异分析 221
7.2 自适应光学系统校正残差分析 223
7.2.1 自适应光学系统误差模型 223
7.2.2 变形镜的面型拟合误差 223
7.2.3 非共光路误差 224
7.2.4 波前传感器测量误差 225
7.2.5 光学元件偏振色差误差 226
7.3 弱湍流区域不同波长光束波前畸变差异分析 228
7.3.1 到达角起伏 228
7.3.2 不同波长高斯光束到达角起伏互相干函数 231
7.3.3 不同波长高斯光束波前相位数值关系 232
7.3.4 数值仿真 234
7.4 强湍流区域不同波长光束波前畸变差异分析 238
7.4.1 强湍流 238
7.4.2 强湍流区域不同波长信号光波前畸变差异误差结构函数 240
7.4.3 仿真分析 244
7.4.4 无波前传感测量误差补偿校正 248
7.5 实验验证 253
7.5.1 双波长通信系统波前畸变差异补偿校正仿真实验 253
7.5.2 1.2km实验装置及实验光路 255
7.5.3 10km自适应光学校正实验 257
7.5.4 100km自适应光学校正实验 258
7.5.5 实验结果分析 258
参考文献 261
第8章 多校正器波前畸变校正解耦控制 266
8.1 问题的提出 266
8.2 快速反射镜和变形镜 267
8.3 采用多校正器校正波前畸变 268
8.3.1 算法原理 268
8.3.2 快速反射镜和变形镜工作原理 270
8.3.3 采用快速反射镜和69单元变形镜组合的自适应光学系统 271
8.3.4 采用69单元变形镜和292单元变形镜组合的自适应光学系统 272
8.4 采用多波前校正器解耦算法校正波前畸变 273
8.4.1 算法原理 273
8.4.2 偏摆镜和69单元变形镜组合的双变形镜校正系统 276
8.4.3 69单元变形镜和69单元变形镜组合的双变形镜校正系统 280
8.5 实验验证 283
8.5.1 采用多波前校正器校正波前畸变实验验证 283
8.5.2 采用多波前校正器解耦算法校正波前畸变实验验证 284
参考文献 285
第9章 部分相干光外差检测系统 287
9.1 部分相干光外差检测系统研究现状 287
9.2 部分相干高斯-谢尔模型光束 289
9.2.1 空间-时间域 289
9.2.2 空间-频率域 291
9.3 部分相干光外差检测系统性能分析 291
9.3.1 部分相干光外差检测原理 291
9.3.2 信噪比和外差效率 293
9.3.3 影响部分相干光外差检测性能的因素分析 295
9.4 光束模式对部分相干光外差检测系统性能的影响 297
9.4.1 模式分解 297
9.4.2 光束模式对外差检测性能的影响 298
9.4.3 1.3km外差检测系统实验 299
9.5 光束偏振态对部分相干光外差检测灵敏度的影响 301
9.5.1 部分相干EGSM光束用于相干检测时的检测灵敏度 301
9.5.2 偏振态对外差检测灵敏度的影响 304
参考文献 307

第1章 无线光相干通信国内外研究进展
　　1.1 无线光相干通信发展现状
　　1.1.1 无线光相干通信技术国外发展现状
　　1880年，贝尔发明了“光电话”，将声音信号加载到振动镜上进行传输，被誉为当代无线光通信的开端[1]。1960年，美国物理学家Maiman发明了世界上**台红宝石激光器，开启了无线光通信新阶段[2]。高锟在1966年提出了将光导纤维作为光信号传输介质，当时的相干光通信在光纤领域比自由空间领域的发展更令人瞩目[2]。随着光通信技术的发展，特别是星地、星间等无法架设光纤链路的场合，无线光通信再次进入人们的视野，并得到了长足发展。
　　起初，各国计划将零差相干检测技术应用于无线光通信中继系统中，然而该相干检测技术对各项指标要求苛刻、设备复杂、造价成本高，因此在20世纪80年代，强度调制/直接检测技术得到了更为充分的发展和广泛应用。随着各项技术的完善和成熟，无线光相干通信得到了逐步发展。
　　20世纪60年代，美国率先开展了无线光通信领域的研究与应用工作[3]。美国林肯实验室计划采用频移键控调制方式、220Mbit/s码速率相干检测技术来实现星间激光通信演示，但受到当时的科技发展水平和技术的限制，实际上仅在地面完成了演示实验。美国林肯实验室研制的星间激光通信实验装置如图1.1所示。
　　图1.1 美国林肯实验室研制的星间激光通信实验装置[3]
　　20世纪90年代初期，美国喷气推进实验室计划发展相干光通信，随后将研究重点转向强度调制/直接检测通信方式；20世纪90年代末期，其研究重点再次转向相干光通信，探索不同调制方式下的检测灵敏度，以扩展星间传输的信道容量。1998年，美国喷气推进实验室利用激光通信终端测定站对光通信演示设备进行了性能测试[4]。用于演示实验的地面终端是光通信望远镜实验室，于2000年建造完成[5]。
　　2008年，美国国家航空航天局部署并计划实施深空光通信计划。图1.2为月球激光通信演示计划示意图。月球激光通信演示计划采用波前检测自适应校正技术和多颤振自适应光学校正技术，计划使用便捷的设备实现月球到地球之间的激光通信[6-8]。
　　图1.2 月球激光通信演示计划示意图[6]
　　2013年9月，美国国家航空航天局采用米诺陶五号运载火箭搭载月球大气与粉尘环境检测器升空，并于2013年10月*次实现下行链路的传输速率622Mbit/s、上行链路的传输速率20Mbit/s由地球到月球的双向通信链路的建立[9-11]。月球激光通信演示系统和月球激光通信地面终端分别如图1.3和图1.4所示。
　　图1.3 月球激光通信演示系统
　　图1.4 月球激光通信地面终端
　　2014年6月5日，美国喷气推进实验室光通信望远镜实验室的光学地面实现了与国际空间站的激光通信，将175MB名为“Hello，World!”的高清视频以50Mbit/s的速度进行了数据传输[12，13]。月球激光通信演示项目如图1.5所示。
　　图1.5 月球激光通信演示项目
　　2018年8月，美国国家航空航天局利用立方体卫星实现了在轨到地面链路的双向数据传输，其中，下行链路的传输速率可达到200Mbit/s，上行链路的传输速率可达到10kbit/s[14]。
　　2017年，美国国家航空航天局的深空光通信项目将数据以250Mbit/s的速率从火星上进行了回传，并在2023年对位于火星和木星公转轨道的Psyche小行星进行了探索[15]。
　　自1985年开始，欧洲航天局的半导体激光星间链路实验项目利用Artemis卫星以及如图1.6所示的光学地面站，实现由地面到星间双向链路的激光通信，通信链路建立成功率高达91%，通信总时长达78h[16]。
　　2002年，德国航空航天中心以TerraSAR-Xsatellite通信终端计划为背景，开展了一系列实验。2005年，在西班牙拉帕尔马岛与特内里费岛之间建立了通信链路，142km海岛之间零差相干检测系统通信示意图如图1.7所示，采用二进制相移键控/零差相干检测系统，选用波长为1064nm的Nd:YGA固体激光器，频率稳定度为每天漂移量不超过50MHz[17]。实验证明，零差相干光通信能在恶劣的大气条件下工作，即光学锁相环在高信号动态范围(>20dB)下也能够保持稳定，且链路不受强背景光的影响。
　　图1.6 欧洲激光通信实验光学地面站[16]
　　图1.7 142km海岛之间零差相干检测系统通信示意图
　　在上述实验的基础上，德国航空航天中心于2009年在哈莱阿卡拉火山进行了卫星与地面站之间通信距离约为1000km的相干光通信实验[18]，如图1.8所示。该实验并未采用自适应光学技术进行波前校正，同时发现由卫星到地面的下行链路相比于上行链路误码率较高。
　　图1.8 哈莱阿卡拉火山进行的相干光通信实验[18]
　　2008年底，欧洲航天局开始实施欧洲数据中继系统(European data relay system，EDRS)计划，旨在通过两颗同步轨道中继卫星(EDRS-A和EDRS-C)在低轨道卫星和地面数据中心之间建立1.8Gbit/s的空间高速数据链路。2016年1月，机载光通信终端EDRS-A在欧洲通信卫星Eutelsat 9B上成功发射到预定轨道，并于2019年8月发射了EDRS-C。在此之前，同步轨道卫星Alphasat和低轨道卫星Sentinel 1A和Sentinel 2A作为EDRS计划的先驱，已于2013～2015年推出[19]。
　　2016年3～4月，欧洲通信卫星组织9B卫星成功与欧洲航天局光学地面站进行了卫星地面激光通信，并于2016年11月投入商业使用。截至2018年5月18日，EDRS-A卫星已完成10000次激光连接，可靠性达99.8%，传输数据达500TB[19]。
　　欧洲航天局计划发射另一颗同步轨道中继卫星以扩展EDRS计划，使其在2020年成为覆盖全球的数据中继通信系统[20]。
　　欧洲航天局计划采用深空激光通信技术发射飞行器到太阳与地球之间的拉格朗日L5点，以对太阳活动进行长期监测，太阳与地球之间的拉格朗日点如图1.9所示，使用深空激光通信技术将采集到的太阳图像信息回传至地球[21]。
　　图1.9 太阳与地球之间的拉格朗日点[21]
　　日本于1994年提出了工程试验卫星(engineering test satellite，ETS)-VI计划，并成功实现了地面站与一颗搭载了该计划所研制的激光通信系统的卫星之间的通信[22]。2000年，日本研制出对地双向超高速激光通信终端[23]。2006年，日本国家信息通信技术研究所利用该卫星与德国航空航天中心下属的地面站进行了双向通信实验[24]。日本国家信息通信技术研究所自主设计的星载相干光通信接收机于2008年研制成功[25]，2021年实现了传输速率为10Gbit/s、地面站与同步轨道卫星之间的双向激光通信，并逐步将相关技术应用到太空测距、卫星组网等其他领域[26]。
　　美国、德国等国家在信号调制方面，由*初的光强度调制逐步发展至副载波调制及相位幅度调制；在解调方面，由*初的直接检测发展至相干检测；在通信双方终端方面，也由一对一传输朝一对多传输、多对多传输、动点对动点传输方向发展，并且设备向低功耗、小型化以及高集成化等方向发展。
　　1.1.2 无线光相干通信技术国内发展现状
　　长春理工大学在船舶与船舶间、飞艇与船舶间、双直升机间等领域均开展并成功演示了双向激光通信实验。2015年，长春理工大学设计并研制出低轨道-同步轨道间激光通信光端机。2016年，长春理工大学又研制出同步轨道对地的激光通信光端机[27]。
　　哈尔滨工业大学主要从事卫星激光通信的研究工作，2011年，“海洋二号”卫星完成了星地激光双向通信实验，2017?年，“实践十三号”卫星在西昌卫星发射中心成功发射，并与地面基站间建立了激光链路，实现了稳定的通信[28]。
　　电子科技大学在星间、星地激光通信等领域开展了研究工作，包括星间光通信捕获跟踪技术、微弱信标光信号处理技术、星地相干光通信技术、高精度对准信息获取方法等[29]。
　　中国科学院上海光学精密机械研究所在星间与星地激光通信相干检测装置的研制、光学锁相技术以及水下光通信等方面开展了一系列的研究[30]。
　　复旦大学主要从事可见光通信领域技术的研究探索，在室内可见光通信与定位以及水下可见光通信等领域，对调制速率、工艺器件设计等方面进行了有益的探索[31]。
　　武汉大学在2013年实现了船舶与岸边建筑之间的激光通信，2015年实现了船舶与岸边建筑之间2.5Gbit/s高速且稳定的激光通信[32]。
　　空**程大学在空间激光通信、星地激光通信、无人机空中激光通信以及可见光通信领域开展了仿真研究[33]。
　　2016年底至2017年初，中国科学院上海技术物理研究所开发的高速星地光通信终端成功搭载“墨子号”卫星完成在轨双向链路通信，上行链路采用脉冲位置调制，通信速率为20Mbit/s；下行链路采用二进制相移键控调制，通信速率为5.12Gbit/s[34]。
　　自2014年起，中国科学院光电技术研究所研制出用于远距离星地自由空间的无线光相干通信系统，分析了采用自适应光学校正后其误码率改善的情况[35]。2018年，其与中国空间技术研究院联合完成同步轨道卫星与地面间相干激光通信实验，激光通信终端搭载“实践二十号”卫星平台于2019年下半年发射升空[36]。
　　近些年，西安理工大学在大气湍流中的激光传输特性[37]、无线激光通信系统的编解码、无线光副载波调制、信道估计和均衡[38]、对准跟踪捕获技术[39]、相干检测技术及光学收发系统的设计[40]、光正交频分复用调制和光多输入多输出体制研究、复杂环境中无线光传输理论与技术进行了深入的理论探索和实验验证。2016年，西安理工大学成功研制出强度调制/直接检测方式的空间激光通信系统终端，