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第1章 绪论&James R.Lesh1

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 Chen68

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 Piazzolla98

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.Vilnrotter171

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WSK187

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 Lee234

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.Farr373

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 Biswas515

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