提高大氣激光通信鏈路波前質(zhì)量的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光通信，特別是一種提高大氣激光通信鏈路波前質(zhì)量的裝置和方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前，航天工程中對(duì)高速的遠(yuǎn)距離通信需求越來(lái)越高，而容量低、重量大、功耗高 的無(wú)線電通信模式已經(jīng)越來(lái)越無(wú)法滿足要求。空間相干激光通信以激光為信息載體，將目 前廣泛應(yīng)用與地面的光纖通信技術(shù)應(yīng)用與空間當(dāng)中。這項(xiàng)技術(shù)擁有容量大、體積小、功耗 低、安全性好等特點(diǎn)，可有效解決空間站、衛(wèi)星和飛行器以及地面接收站之間的數(shù)據(jù)通信瓶 頸問(wèn)題。空間激光通信技術(shù)也具有很高的軍事應(yīng)用潛力，目前已經(jīng)受到世界范圍內(nèi)的高度 重視。二十多年來(lái)，以歐洲、美國(guó)和日本為代表的各國(guó)及地區(qū)航天局已經(jīng)進(jìn)行了多次空間激 光通信的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2008年，德國(guó)的TerraSAR - X低軌衛(wèi)星與相距5000km的美國(guó)NFIRE低 軌衛(wèi)星成功實(shí)現(xiàn)了 5. 6Gbps的雙向相干激光通信實(shí)驗(yàn)[Proc.SPIE 7199,719906(2009)]， 這說(shuō)明相干激光通信技術(shù)在空間應(yīng)用中擁有巨大前景。這項(xiàng)技術(shù)雖然在衛(wèi)星之間的通信鏈 路中得到成功驗(yàn)證，但是在衛(wèi)星與地面的大氣鏈路中卻面臨了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。2011年，哈工大 成功實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首次星地激光通信鏈路實(shí)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)采用非相干的通信技術(shù)雖然受到大氣湍 流的影響較小，但是通信碼率很低，無(wú)法全部體現(xiàn)激光通信的優(yōu)勢(shì)。所以要實(shí)現(xiàn)高碼率的大 氣相干通信激光鏈路，大氣湍流的影響是必須克服的。
[0003] 大氣湍流可導(dǎo)致信號(hào)光的到達(dá)角起伏及波前畸變等問(wèn)題，嚴(yán)重降低相干接收機(jī)信 號(hào)光和本振光的外差效率，并且由于地面接收端一般都采用光纖通信技術(shù)，湍流對(duì)單模光 纖的耦合也造成了巨大的困難[Proc. of SPIE Vol. 7464746406(2009)]。對(duì)于差分自相干 通信接收技術(shù)，盡管不存在信號(hào)光和本振光外差效率低的問(wèn)題，但是依然面臨單模光纖耦 合效率低下的問(wèn)題[Proc. ICS0S 13-2(2012)]。由于單模光纖只能接受高斯基模光束，所以 波前扭曲和指向角度抖動(dòng)的信號(hào)光束的耦合效率將小于-20dB。而且由于空間通信鏈路長(zhǎng) 度可達(dá)千公里以上，幾何發(fā)散導(dǎo)致的望遠(yuǎn)鏡收集到的信號(hào)光能量很低，這種情況下，波前畸 變產(chǎn)生的極低的外差效率和單模光纖耦合效率將大大增加信號(hào)解調(diào)的誤碼率。
[0004] 為了改善大氣鏈路信號(hào)光束的波前質(zhì)量，自適應(yīng)光學(xué)是可行的一種方法。2004 年有人曾對(duì)利用自適應(yīng)光學(xué)解決大氣激光通信鏈路的單模光纖耦合進(jìn)行了理論分析 [Proc. SPIE 5578,40 - 51 (2004)]，說(shuō)明理想情況下，自適應(yīng)光學(xué)是可以大幅改善波前質(zhì) 量并提高單模光纖耦合效率的。但是由于大氣湍流的時(shí)間變化可達(dá)幾百Hz，自適應(yīng)系統(tǒng) 很難在這樣高的環(huán)路帶寬里得到高的校正精度，如果降低系統(tǒng)帶寬，則無(wú)法在時(shí)間上完 全校正信號(hào)波前的畸變，對(duì)于碼率高達(dá)Gbit/s的通信系統(tǒng)，這將引入大量的誤碼。所以 受限于控制系統(tǒng)的帶寬和校正算法以及哈特曼波前傳感器的精確度，單純采用自適應(yīng)光 學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行波前校正的方法對(duì)于相干激光通信系統(tǒng)而言并不理想。2013年，針對(duì)空間激 光通信星上平臺(tái)的振動(dòng)引起的光束指向問(wèn)題，有人提出了的單模光纖的耦合方案[Opt. Exp. 21，18434-18441 (2013)]。而在大氣通信鏈路中，湍流既會(huì)引起的光束到達(dá)角的抖動(dòng)又 會(huì)有高階波前畸變等問(wèn)題，所以為了較好的改善單模光纖耦合效率，波前畸變的校正也是 需要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于提供一種提高大氣激光通信鏈路波前質(zhì)量的裝置和方法，主要實(shí) 現(xiàn)對(duì)信號(hào)光束的波前畸變的實(shí)時(shí)校正，進(jìn)而提高波前質(zhì)量和單模光纖耦合效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn) 了高的系統(tǒng)帶寬和高的補(bǔ)償精度。
[0006] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0007] -種提高大氣激光通信鏈路光束波前質(zhì)量的裝置，其特點(diǎn)在于：該裝置包括地面 接收端的準(zhǔn)直目鏡，沿該準(zhǔn)直目鏡輸出的信號(hào)光束方向依次是第一半波片和第一偏振分束 器，在第一偏振分束器反射光方向依次是第二偏振分束器、第二半波片、光學(xué)4f系統(tǒng)、第三 偏振分束器、單模光纖耦合器和單模光纖，在第二偏振分束器的右方依次是第一四分之一 波片和快反鏡，在第二偏振分束器的左方依次是第二四分之一波片和變形鏡，在第三偏振 分束器的左方是哈特曼波前傳感器，該哈特曼波前傳感器的輸出端接計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)的 輸出端與所述的快反鏡和變形鏡的控制端相連，在光學(xué)4f系統(tǒng)的焦點(diǎn)處放置空間濾波針 孔；所述的哈特曼波前傳感器由微透鏡陣列和CCD組成，構(gòu)成波前檢測(cè)系統(tǒng)，所述的變形鏡 和快反鏡組成所述裝置的波前校正系統(tǒng)；所述的光學(xué)4f系統(tǒng)和空間濾波針孔組成空間濾 波系統(tǒng)；所述的哈特曼波前傳感器通過(guò)圖像采集卡和計(jì)算機(jī)連接；該計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換 卡連接所述的變形鏡和快反鏡的控制端。
[0008] 利用上述的裝置提高大氣激光通信鏈路光束波前質(zhì)量的方法，該方法包括下列步 驟：
[0009] ①所述的信號(hào)光進(jìn)入權(quán)利要求1所述的提高大氣激光通信鏈路光束波前質(zhì)量的 裝置，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為裝置，經(jīng)第三偏振分束器分為透射光和反射光，該第三偏振分束器的偏振 消光比為：透射光能量/反射光能量>1000/1，所述的透射光經(jīng)所述的單模光纖耦合器，由 所述的單模光纖輸出，所述的反射光進(jìn)入所述的哈特曼波前傳感器；
[0010] ②計(jì)算質(zhì)心位置；信號(hào)光的畸變波前供(U)首先被哈特曼波前傳感器中的微透 鏡陣列分為N = 437個(gè)分區(qū)波面（K(x，y)，每個(gè)分區(qū)波面通過(guò)微透鏡在(XD像面上形成一 個(gè)投影焦點(diǎn)，每個(gè)分區(qū)在CCD像面上覆蓋了上了 12X 12個(gè)像素點(diǎn)，對(duì)各個(gè)投影焦點(diǎn)的質(zhì)心 坐標(biāo)按下列公式進(jìn)行計(jì)算：
[0011] 每個(gè)焦點(diǎn)質(zhì)心的x坐標(biāo)的計(jì)算方法為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種提高大氣激光通信鏈路光束波前質(zhì)量的裝置，其特征在于：該裝置包括地面接 收端的準(zhǔn)直目鏡（1)，沿該準(zhǔn)直目鏡（1)輸出的信號(hào)光束（2)方向依次是第一半波片（3)和 第一偏振分束器（4)，在第一偏振分束器（4)反射光方向依次是第二偏振分束器（5)、第二 半波片（10)、光學(xué)4f系統(tǒng)（11)、第三偏振分束器（13)、單模光纖親合器（15)和單模光纖 (16)，在第二偏振分束器（5)的右方依次是第一四分之一波片（6)和快反鏡（7)，在第二偏 振分束器（5)的左方依次是第二四分之一波片（8)和變形鏡（9)，在第三偏振分束器（13) 的左方是哈特曼波前傳感器（14)，該哈特曼波前傳感器（14)的輸出端接計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī) 的輸出端與所述的快反鏡和變形鏡的控制端相連，在光學(xué)4f系統(tǒng)（11)的焦點(diǎn)處放置空間 濾波針孔（12);所述的哈特曼波前傳感器（14)由微透鏡陣列和CCD組成，構(gòu)成波前檢測(cè) 系統(tǒng)，所述的變形鏡（9)和快反鏡（7)組成所述裝置的波前校正系統(tǒng)；所述的光學(xué)4f系統(tǒng) (11)和空間濾波針孔（12)組成空間濾波系統(tǒng)；所述的哈特曼波前傳感器（14)通過(guò)圖像采 集卡和計(jì)算機(jī)連接；該計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換卡連接所述的變形鏡（9)和快反鏡（7)的控制 端。
2. 利用權(quán)利要求1所述的裝置提高大氣激光通信鏈路光束波前質(zhì)量的方法，其特征在 于該方法包括下列步驟： ① 所述的信號(hào)光（2)進(jìn)入權(quán)利要求1所述的提高大氣激光通信鏈路光束波前質(zhì)量的 裝置，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為裝置，經(jīng)第三偏振分束器（13)分為透射光和反射光，該第三偏振分束器 (13) 的偏振消光比為：透射光能量/反射光能量>1000/1，所述的透射光經(jīng)所述的單模光 纖耦合器（15)，由所述的單模光纖（16)輸出，所述的反射光進(jìn)入所述的哈特曼波前傳感器 (14) ; ② 計(jì)算質(zhì)心位置；信號(hào)光（2)的畸變波前河.U)首先被哈特曼波前傳感器中的微透 鏡陣列分為N= 437個(gè)分區(qū)波面<K(x，y)，每個(gè)分區(qū)波面通過(guò)微透鏡在(XD像面上形成一 個(gè)投影焦點(diǎn)，每個(gè)分區(qū)在CCD像面上覆蓋了上了 12X12個(gè)像素點(diǎn)，對(duì)各個(gè)投影焦點(diǎn)的質(zhì)心 坐標(biāo)按下列公式進(jìn)行計(jì)算： 每個(gè)焦點(diǎn)質(zhì)心的x坐標(biāo)的計(jì)算方法為
y坐標(biāo)的計(jì)算方法為
式中，L為CCD像面上第n個(gè)微透鏡分區(qū)內(nèi)第i行第j列像素點(diǎn)的光強(qiáng)度值，CCD每 個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)度值L由圖像采集卡采集；
③ 計(jì)算波前斜率：按下列公式計(jì)算第n個(gè)微透鏡分區(qū)對(duì)應(yīng)的x和y兩個(gè)方向的波前斜 率： x方向的計(jì)算公式為y方向的計(jì)算公式為
其中，xMf為第n個(gè)微透鏡陣列分區(qū)的幾何中心x坐標(biāo)，f為微透鏡陣列的焦距； ④ 復(fù)原波前：根據(jù)所有微透鏡分區(qū)的波前斜率S1X2N，利用19階Zernike模式法復(fù)原出 畸變的波前復(fù)原的波前用Zernike多項(xiàng)式表示：f4 ，式 中，Zi(x,y)為Zernike多項(xiàng)式的第i階項(xiàng)，m= 19為Zernike多項(xiàng)式的階數(shù)，多項(xiàng)式的系 數(shù)的計(jì)算方法為為x," =Zwx27V ? ?S1><2iV ,Zwx2jV為Zernike多項(xiàng)式在N個(gè)微透鏡陣列分區(qū) 斜率的廣義逆矩陣； ⑤ 波前校正運(yùn)算：得到變形鏡（9)k= 69個(gè)驅(qū)動(dòng)器所需的電壓值數(shù)組Vkxl;計(jì)算方法 為：= €；/ ?軾盡刃片，其中為變形鏡k= 69個(gè)驅(qū)動(dòng)器影響函數(shù)FjXk的廣義逆矩 陣； ⑥ 校正波前：計(jì)算機(jī)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換卡將步驟⑤計(jì)算得到的電壓值數(shù)組Vkxi發(fā)送給變形 鏡（9)的控制器，所述的變形鏡（9)產(chǎn)生和畸變波前共軛的面型來(lái)補(bǔ)償所述波前少)的 畸變量； ⑦ 對(duì)于剩余的無(wú)法由變形鏡（9)校正的高頻的波前畸變量，通過(guò)由光學(xué)4f系統(tǒng)（11) 和空間濾波針孔（12)組成的空間濾波系統(tǒng)進(jìn)行濾除，空間濾波系統(tǒng)濾除掉波面上高于空 間頻率為W= 2 31r/A4的高頻調(diào)制成分，其中r為空間濾波針孔（12)的半徑，A為信號(hào) 光波長(zhǎng)，為光學(xué)4f系統(tǒng)（11)中透鏡的焦距； ⑧ 信號(hào)光（2)得到一個(gè)校正后，繼續(xù)經(jīng)過(guò)第三偏振分束器（13)反射進(jìn)入波前檢測(cè)系統(tǒng) 進(jìn)行檢測(cè)，這樣對(duì)信號(hào)光（2)進(jìn)行循環(huán)的波前檢測(cè)和校正，裝置工作在閉環(huán)狀態(tài)；計(jì)算機(jī)上 對(duì)波前進(jìn)行質(zhì)心計(jì)算_波前復(fù)原-波前校正的運(yùn)算過(guò)程中采用并行雙線程處理，提高系統(tǒng) 帶寬。
【專(zhuān)利摘要】一種提高大氣激光通信鏈路波前質(zhì)量的裝置和方法，該裝置包括地面接收端的準(zhǔn)直目鏡，沿該準(zhǔn)直目鏡輸出的信號(hào)光束方向依次是第一半波片和第一偏振分束器，在第一偏振分束器反射光方向依次是第二偏振分束器、第二半波片、光學(xué)4f系統(tǒng)、第三偏振分束器、單模光纖耦合器和單模光纖，在第二偏振分束器的右方依次是第一四分之一波片和快反鏡，在第二偏振分束器的左方依次是第二四分之一波片和變形鏡，在第三偏振分束器的左方是哈特曼波前傳感器，該哈特曼波前傳感器的輸出端接計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)的輸出端與所述的快反鏡和變形鏡的控制端相連。本發(fā)明對(duì)信號(hào)光束的波前畸變實(shí)時(shí)校正，進(jìn)而提高波前質(zhì)量和單模光纖耦合效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高的系統(tǒng)帶寬和高的補(bǔ)償精度。
【IPC分類(lèi)】H04B10-11, H04B10-2507
【公開(kāi)號(hào)】CN104618017
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510028630
【發(fā)明人】陳衛(wèi)標(biāo), 李佳蔚, 孫建鋒
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
【公開(kāi)日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年1月21日