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第1章 绪论&James R.Lesh 1

1.1 增强通信能力的诱因 1

1.2 JPL光通信活动的历史 4

1.3 关键组件／子系统和技术 5

1.3.1 激光发射机 6

1.3.2 航天器载望远镜 7

1.3.3 捕获、跟踪与瞄准（ATP） 8

1.3.4 探测器 9

1.3.5 滤光器 11

1.3.6 纠错编码 11

1.4 飞行终端开发 13

1.4.1 光学收发组件 13

1.4.2 光通信验证设备 14

1.4.3 激光通信的测试评估站 16

1.4.4 X2000飞行终端 16

1.4.5 国际空间站飞行终端 18

1.5 接收系统和网络研究 19

1.5.1 地面望远镜的成本模型 19

1.5.2 深空光学接收天线 20

1.5.3 深空中继卫星系统研究 21

1.5.4 地面天线技术研究 22

1.5.5 先进通信系统优势研究 23

1.5.6 地球轨道光学接收终端研究 24

1.5.7 EOORT混合研究 24

1.5.8 球形地面主望远镜 25

1.5.9 天基和地基接收权衡 25

1.6 大气透射 28

1.7 背景光的影响 30

1.8 分析工具 30

1.9 系统级研究 31

1.9.1 金星雷达测绘任务研究 31

1.9.2 合成孔径雷达-C自由飞行器 31

1.9.3 ER-2到地面研究 33

1.9.4 千天文单位距离航天任务和恒星际任务研究 33

1.10 系统级验证 34

1.10.1 “伽利略”光学实验 34

1.10.2 补偿式地-月-地后向反射器激光链路 35

1.10.3 地面／轨道器激光通信验证实验 37

1.10.4 地-地验证实验 39

1.11 其他通信功能 41

1.11.1 光学测轨导航 42

1.11.2 光科学测量 42

1.12 前景 43

1.12.1 光通信望远镜实验室 43

1.12.2 无人机—地面验证实验 44

1.12.3 自适应光学系统 44

1.12.4 光学接收机和动态探测器阵列 45

1.12.5 其他形式地面接收系统 46

1.13 火星激光通信验证实验 47

参考文献 48

第2章 链路与系统设计&Chien-Chung Chen 68

2.1 深空激光通信链路概述 70

2.2 通信链路设计 71

2.2.1 链路方程和接收信号功率 73

2.2.2 光学接收机灵敏度 74

2.2.3 链路设计的综合考虑 80

2.2.4 通信链路预算 81

2.2.5 链路可用性问题 82

2.3 光束瞄准与跟踪 87

2.3.1 下行链路光束瞄准 87

2.3.2 上行链路光束瞄准 90

2.3.3 描准捕获 91

2.4 其他设计驱动因素和考虑 92

2.4.1 系统质量和功耗 92

2.4.2 对航天器设计的影响 93

2.4.3 激光安全性 93

2.5 小结 94

参考文献 96

第3章 大气信道&Abhijit Biswas and Sabino Piazzolla 98

3.1 云覆盖区统计 99

3.1.1 国家气候资料中心（NCDC）的数据集 100

3.1.2 单站和双站分集的统计 102

3.1.3 三站分集 109

3.1.4 NCDC分析结论 111

3.1.5 利用卫星观测数据的云覆盖区统计 112

3.2 大气透过率与天空辐射率 114

3.2.1 大气透过率 114

3.2.2 气体分子吸收与散射 115

3.2.3 气溶胶吸收与散射 118

3.2.4 天空辐射率 124

3.2.5 背景辐射点源 131

3.3 大气对光学深空网中地面望远镜站址选择的影响 137

3.3.1 光学深空网 137

3.3.2 航天任务的数据传输率／误码率（BER） 140

3.3.3 望远镜站址 141

3.3.4 网络连续性和山峰 143

3.4 激光在湍流大气的传播 148

3.4.1 大气湍流 148

3.4.2 大气“视见”效应 152

3.4.3 光学闪烁或辐射度起伏 158

3.4.4 大气湍流导致的到达角变化 163

参考文献 165

第4章 光学调制与编码&Samuel J.Dolinar,Jon Hamkins,Bruce E.Moision,and Victor A.Vilnrotter 171

4.1 引言 171

4.2 被检测光场的统计模型 174

4.2.1 光场的量子模型 174

4.2.2 直接检测的统计模型 178

4.2.3 统计模型小结 183

4.3 调制形式 184

4.3.1 开-关键控 184

4.3.2 脉位调制 185

4.3.3 差分脉位调制 186

4.3.4 交迭脉位调制 187

4.3.5 波长偏移键控 187

4.3.6 组合PPM和WSK 187

4.4 调制约束带来的码率限制 188

4.4.1 香农容量 189

4.4.2 约束 192

4.4.3 调制编码 193

4.5 不编码光调制的性能 197

4.5.1 泊松信道中的OOK直接检测 198

4.5.2 PPM的直接检测 199

4.5.3 组合PPM和WSK的直接检测 203

4.5.4 利用基于量子检测理论接收机时的调制性能 204

4.6 光学信道容量 209

4.6.1 PPM信道的容量：通用公式 210

4.6.2 软判决PPM的容量：具体信道模型 211

4.6.3 硬判决和软判决容量比较 212

4.6.4 采用PPM带来的损失 213

4.6.5 量子检测二进信道的容量 214

4.7 光学调制的信道编码 216

4.7.1 Reed-Solomon码 217

4.7.2 光学调制中的Turbo或类Turbo码 218

4.8 编码光学调制的性能 219

4.8.1 参数选择 219

4.8.2 性能估计 221

4.8.3 可达数据传输率同平均信号功率之间的关系 223

参考文献 225

符号 232

第5章 飞行收发器&Hamid Hemmati,Gerardo G.Ortiz,William T.Roberts,Malcolm W.Wright,and Shinhak Lee 234

5.1 光机子系统 234

5.1.1 引言 234

5.1.2 光路径 235

5.1.3 光学设计要求、设计考虑和挑战 237

5.1.4 光学设计考虑与方法 239

5.1.5 收-发隔离 240

5.1.6 杂散光抑制 241

5.1.7 发射、准直和波前质量预算 242

5.1.8 激光器到遮挡望远镜的有效耦合 243

5.1.9 结构、材料和结构分析 246

5.1.10 光纤的使用 248

5.1.11 用于捕获和跟踪的星体跟踪器光学系统 248

5.1.12 温控 248

5.1.13 光学系统设计实例 249

5.2 激光发射机 260

5.2.1 引言 260

5.2.2 要求和挑战 261

5.2.3 可用的激光发射源 265

5.2.4 用于相干通信的激光器 273

5.2.5 激光调制器 273

5.2.6 效率 274

5.2.7 对激光器定时抖动的控制 275

5.2.8 冗余 276

5.2.9 温控 276

5.3 深空捕获、跟踪与瞄准 277

5.3.1 深空光束瞄准的独特挑战 277

5.3.2 链路概述和系统需求 279

5.3.3 ATP系统 283

5.3.4 合作信标（地面激光）跟踪 296

5.3.5 非合作信标跟踪 297

5.3.6 ATP技术的验证实验 316

5.4 飞行质量保证 333

5.4.1 引言 333

5.4.2 飞行质量保证方法 334

5.4.3 电子系统或光电系统的飞行质量保证 335

5.4.4 测试单元的数目 336

5.4.5 空间环境 337

5.4.6 探测器的飞行质量保证 343

5.4.7 激光器系统的飞行质量保证 352

5.4.8 光学系统的飞行质量保证 362

参考文献 362

第6章 地球终端体系结构&Keith E.Wilson,Abhijit Biswas,Andrew A.Gray,Victor A.Vilnrotter,Chi-Wung Lau,Meera Srinivasan,and William H.Farr 373

6.1 引言 373

6.1.1 单站下行链路接收和上行链路发射 374

6.1.2 深空任务中的光学阵列接收机 414

6.2 光电探测器 433

6.2.1 单探测器 433

6.2.2 用于穿过湍流通信的焦平面探测器阵列 441

6.3 接收机电子线路 454

6.3.1 引言 454

6.3.2 离散时间解调器结构介绍 456

6.3.3 离散时间同步和检后滤波概述 458

6.3.4 离散时间解调器的各种变型 468

6.3.5 带时变检后滤波器的离散时间解调器 469

6.3.6 并行离散时间解调器体系结构 473

6.3.7 异步离散时间处理 474

6.3.8 并行离散时间解调器体系结构 483

6.3.9 主要系统模型与参数 493

6.3.10 小结和未来的研究任务 496

参考文献 501

第7章 发展前景与应用&Hamid Hemmati and Abhijit Biswas 515

7.1 美国、欧洲与日本当前和即将开展的项目 515

7.1.1 激光通信实验 516

7.1.2 火星激光通信验证器（MLCD） 517

7.2 空基和天基接收机 517

7.2.1 空基和天基接收机的优势 517

7.2.2 空基和天基接收机的劣势 518

7.2.3 空基终端 519

7.2.4 天基接收机终端 520

7.2.5 另一些接收机站 521

7.3 光科学 521

7.3.1 光传播实验 521

7.3.2 探测器行星大气、环、电离层、磁场和星际介质的掩星实验 521

7.3.3 太阳系物体质量和重力场、尺寸、形状和表面特征的知识 522

7.3.4 检验基础理论：广义相对论、引力波、统一场理论、天体物理学和宇宙学 523

7.3.5 太阳系星历表改进 524

7.3.6 相干激光通信技术的应用 525

7.4 结束语 526

参考文献 526