卫星激光通信经过近20年的发展，在传输码率、天线尺寸、保密性、带宽容量和能耗等多方面展现出相对于无线电通信的种种优越性，并且通信终端机有更小的体积和更轻的质量，具有良好的应用前景。自20世纪80年代以来，卫星激光通信经历了充分的理论论证和全面的地面验证[1—2]。进入21世纪，美国、日本、德国等国家都成功实现了在轨激光通信链路。其中，在2001年11月，欧洲航天局(ESA)实施了SILEX计划[3]，在高轨道通信卫星ARTEMIS和低轨道地面观测卫星SPOT-4之间成功实现了远程星际激光通信，这是世界上首次实现星际激光通信链路，通信体制采用强度调制/直接探测，适合低通信速率应用。为获得更高通信速率，德国空间中心于2008年在低轨卫星TerraSAR-X和NFIRE之间实现了速率为5.6Gb/s的相干激光通信[4]，采用二进制相移键控(BPSK)零差调制，相干探测，提高接收灵敏度。星间激光通信已经达到实用化、商用化水平，但星地激光通信技术_直未能获得突破，是目前天地_体化激光通信网络的瓶颈。
星地激光通信面临的首要问题是星地自由空间和大气组成的混合传输信道。大气湍流不仅造成接收端强度的起伏，也会造成接收波前的严重畸变，从而大大降低接收灵敏度和探测效率。为了克服大气扰动对星地激光通信链路的影响，欧洲航天局、德国航天局(DLR)和日本情报通信研究机构(NICT)都开展了相关的理论研究和实地验证实验[5]，目前提出的设想方案有三种：)减小接收孔径。但是这种方法由于无法充分利用孔径平均效应，不能克服光束漂移和闪烁带来的光强波动，使得功率的动态范围过大，增大误码率。目前关于减小接收口径克服大气湍流的研究进展较少。2)采用自适应光学利用可变型镜实时检测、校正接收波面，提高耦合效率。欧洲航天局和德国宇航中心开展了相关的研究工作。但是自适应光学系统需要等晕角大于通信两点的相对角度，同时增加系统复杂度，造价较高。3)采用差分相移键控(DPSK)调制[]，不需要波前补偿技术，不需要本振光，也不需要频率锁定。加载相位信息的接收信号光通过差分结构，一路延迟后在输出端发生干涉解调信息。
一种自由空间差分干涉结构接收装置，与文献[]中的4f差分干涉结构相比中，该结构紧凑简单，适合高速率通信，避免了差分支路中4f透镜像差对探测效率的影响。重点介绍了DPSK调制机理，并数值模拟了接收到的光学信号在该装置中的光学衍射传播过程和相位信息解调原理。根据同步数字通信体系(SDH)理论，在不同通信速率下，信号光束波面受不同程度大气湍流效应影响产生畸变。给出了表征湍流强度的大气折射率常数和偏光干涉端零差探测效率的变化关系以及通过自由空间差分干涉结构解调差分相位信息的使用范围及条件，从而提高探测效率、降低误码率。
2差分干涉接收机结构及其原理分析
2.1差分相移键控调制机理
DPSK是一种相位调制模式，把信息加载在载波上相邻码元的相对相位变化中[]。相邻码元的相移为0或n对应要传递的信息数据为0或1。在接收端，两个连续码元通过非等臂的信号支路和自相位延时T信号支路进行偏光干涉，解调得到数据信息，2.2差分干涉接收系统装置差分相移键控调制信号的接收机不采用光纤传输光信号，是由偏振分束器、波片和反射镜、透镜等光学器件组成的全光器件结构装置，如图2所示，包括接收望远镜、马赫-曾德尔(MZ)型非等臂差分干涉系统、2X490°自由空间光学桥接器[8—9]、平衡光电探测器和数据处理电路。采用平衡接收机平衡探测信号，理论上探测的灵敏度比直接探测的情况高3dB。通过前置放大器等电路实现稳相和对数据的处理。
3仿真实验模型及其原理分析
3.1仿真实验模型
根据DPSK原理和接收机示意图要求，给出相应的实验装置图，如图3所示。在差分接收机中，自由空间差分干涉部分是相干解调过程中的核心技术环节。
星地激光通信中，在卫星终端上的信号发射机发出DPSK调制信号，经过长距离大气衍射传输，受湍流扰动影响，产生波前畸变的调制信号光进入接收机前端的接收望远镜。经过望远镜内部焦距分别为和P2的共焦透镜组，在偏振分束器(PBS1)的偏振分束面分成两束光，分别进入短臂差分支路和延迟1bit周期了的长臂差分支路。差分距离由通信速率决定，而且短支路放置精密相位控制器，保证差分距离是波长的整数倍。此后两路光束分别进入2X490°自由空间光学桥接器[1°]两输入端，将两束光偏振分束分成八束光，分别在PBS3/PBS4的偏振分束面合束偏振干涉，光电探测器探测到光功率，平衡接收机采用平衡接收原理进行数据处理，得到信息相位的正弦和余弦部分，余弦信号支路输出数据信号。
3.2衍射过程原理分析
假设星上激光通信终端发射的信号光为高斯光束，经过发射端准直扩束后，再经历自由空间-大气混合信道传输，到达光学地面站接收望远镜的光场分布近似平面波，复振幅表示为U,n(.x,y,tn)=A(x,y,tn)eiip[kW(.x,y,tn)+]式中j为虚数，々为激光束波数，Pm(：r，：y)为光场的口径函数，令A(:r，;v，i„)表示在时刻信号的光场复振幅，P(x，y，t)表示t时刻接收信号中的相对信息相位值，满足如下关系：丨0，demodulatedinformation“0’’A&.x,y,tn)=&(x,y,tn)—&(.x,y,tn-T)=^^^,.“”，，(2)In，demodulatedin士ormation1式中T表示调制数据的信息编码周期，等于光束在两非等臂支路衍射传播的时间差，即自相位延迟。W(xy，t)表示光信号经过扰动大气后包含的像差项。由于高速率通信速率达到Gb/s级别，则值近似W(xy，t)〜W(xy，t-T)，A(xy，t)〜A(xy，t-t)。
光信号经过望远镜[11]后时变光场为U°(x°,y°,tn)=BUin(—Mr1，一My1,tn)P\n(^Mr1，一My1)，这里入射信号光斑口径大于望远镜口径。其中令B=，Lr=2(R+F2)表示望远镜长—入F\FZ度，R和F2分别是接收望远镜目镜和物镜焦距，pm(:c，y)是入射系统光斑的入瞳口径，望远镜放大倍数M=f\/F2。
零差相干探测得到的干涉图样的强弱变化反映载波中的相位信息。由理论推导可以看出，解调信息并不依赖于光信号的绝对相位，将干涉的相位相减可以在_定程度上抵消信号波面由于大气扰动带来的相位受损和像差影响，通过数据处理电路，判定相位信息对应的码元值。由于引入精密相位控制器，微调两支路相位差，使得该相位差值趋近于。或n，提高相干对比度，降低接收功率的动态范围。
4数值仿真结果
4.1在差分干涉仿真模型中分析波面像差
模拟在不同大气湍流强度下，包含信息的光信号绝对相位发射严重畸变，含像差波面进入自由空间差分干涉接收系统。用大气相干长度r。来定义激光在湍流大气中传输到离发射端距离为z处时，光束横截面相位的相干距离，它表示光波通过湍流传播的衍射极限，对星地激光大气传输特性有较大影响。考虑到星地激光通信链路实际运行情况[13]，选取星地激光通信链路在斜程45°的传输工作方式，此时大气相干长度r。还应考虑链路传输的天顶角a以及探测端海拔高度H等参数，此时z=Hseca。
根据经典Kolmogorov湍流谱推导得到对于A波长平面波，大气相干长度r。与大气折射率结构常数ca)的关系为h(i—3/5r。=423々2seca|C(h)dH湍流强度不同，对光学相位影响不同。用大气折射率结构常数c〗(H)表征大气湍流效应^值变化表示湍流效应由弱到强的变化。大气湍流效应引入的像差拟合多项式可表示为
2I2W„(u，y，，)86UL+。.。67+2~Kno(u3,y3)+o(u4,y4)H，式中系数々n表征在u方向(或者y方向也可)与湍流强度对应的倾斜因子上=^，其中槡?=7ZJJ槡。8¥|^*)5/6，D为接收望远镜的□径尺寸;_Rn代表与湍流强度相对应的二次项相位曲率半径，只n=T|^，其中槡槡。.。673/-)56。1AAa2ndr。
从(16)式可以看到，波前像差[14]级次构成和各项所占比例有关。第一项，经过准直的高斯光束，受大气湍流破坏，波面倾斜。采用Zernike倾斜像差来表征线性项相位误差[15]，该误差比例占86.9%;二次项相位误差比例占6.7%，前两项像差构成波前像差主要部分，所以波前像差式可表示为2I2^n(u，y，，)七869：r々n+67
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