专利名称：在自由空间光通信系统中校正光信号波前失真的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及数据通信系统，更具体说，是涉及自由空间光数据通信系统。
背景技术：
用物理线路或电缆连接两个场所或更多场所的电信系统，一般限制在较低速度、较低容量的应用。该类系统的电缆敷设也是昂贵的，且可能有困难，特别是在拥挤的市区，因为在拥挤的市区，安装的可选择性受到限制。为了解决这些限制，近来发展的系统，利用受数据调制的一束或多束光束在自由空间的传输，从一点向另一点发送数据。即使两个网络间存在物理的、硬布线的连接，利用该类光束的自由空间系统，能在这些网络间提供更高速度与更高容量的链路，目前可高达10 Gbps。当两个网络还没有通过线路的物理链接时，自由空间通信可使通信系统免除了敷设电缆把系统的某一场所与另一场所连接的基础设施费用。与电缆不同，自由空间光通信系统部分地包括，至少一个发射望远镜和至少一个接收望远镜，分别用于两个或多个通信场所间发送和接收信息。
但是，自由空间光通信的运行可能因各种因素而受阻。例如，可能因传送媒质折射性质的变化，包括因温度变化、扰动、或其他现象，使发射的光束出现波前失真。该失真可以导致被称为“光束倾斜”的现象，在此现象中，光束波前不同的各部分，偏离它们被发射的、与光束传播线垂直的方向。在接收望远镜上，光束倾斜的结果，是接收光束的像在接收望远镜焦平面上运动。光束强度的起伏，亦称为闪烁，也可能出现。这些现象中不论那一种，都可能导致通信显著恶化或通信全部损失。
发明内容
前述涉及波前失真的问题由本发明修正。按照本发明，用自适应光学巧妙处理发射望远镜的光学部件，至少对一些失真进行预补偿。“自适应光学”一词，如本文所用，是指一种光学系统，该光学系统中，至少一种光学参数可以作为控制信号的函数而改变，控制信号诸如指示使发射信号产生波前失真现象的信号。适用于该系统的光学部件，且被用于本文公开的示例性实施例中的一个例子，是可变形反射镜，该镜在标题为“Telescope For A Free-Space Wireless OpticalCommunication System”，序号是No.09/679159的待决专利申请中描述。波前失真由接收望远镜上接收信号的像的至少一种特征变化所显示，诸如，举例说，接收信号振幅的减小。为了减小该波前失真并相应地增加接收信号的合成振幅，于是可以使发射望远镜的反射镜变形。
图1画出在正常条件下，用现有技术的望远镜设备的一种光通信系统；图2画出用现有技术的望远镜设备的一种光通信系统，其中大气扰动导致发射光束的波前失真；图3画出本发明的系统中的发射望远镜，能用自适应光学使该望远镜变形，对大气的扰动进行预补偿；图4画出利用自适应光学的一种光通信系统，该系统按照本发明的原理，补偿发射光束的波前失真；图5是流程图，表明图4系统的操作步骤。
具体实施例方式
图1画出两个现有技术的光通信望远镜101和102，用于自由空间通信系统的正常对准操作条件。激光器130产生的光束，被调制器131用从网络110收到的数据调制，并在光纤106上发送。发射望远镜101通过光纤106接收调制的信号。望远镜101的主反射镜120和副反射镜121，在光学上对调制的光束整形并发射，使该光束入射接收望远镜102的焦平面125上。接收望远镜102利用它的光学部件，包括主反射镜122和副反射镜123，把入射的被传输的调制光束103，聚焦在焦平面125的接收光纤112上。接收器129从接收光纤接收被调制的光信号，并把它转换为电信号，把数据解调，并把数据传送至网络109。应当指出，接收望远镜102装上类似于激光器130和调制器131的激光器和调制器，也能发射光束。同样，发射望远镜101把类似于接收器129的接收器装入该望远镜的电子学部分，也能用于接收。因此，该系统的两个望远镜应能发射也能接收。该种发射与接收的双用能力，适用于本发明在本文后面公开的实施例中的所有望远镜。
在某些情况下，发射望远镜发射的光束的波前，当到达接收望远镜焦平面时可能失真，导致对应的失真的通信信号。如图2所示，该种失真的出现可能因大气扰动，如靠近发射望远镜201的小区域扰动(small-cell turbulence)204，导致发射光束203的部分波前折射，从而偏离发射望远镜与接收望远镜之间直的路径。当出现该种现象时，波前205的分散的部分变成与波前的传播线207不垂直。其结果是，波前的某些部分与其他部分将在不同时间到达接收望远镜，还可能以相对于传播线207不同的角度到达。波前的某些部分可能完全不能入射接收望远镜上。因此，接收的信号振幅将减小，且在接收望远镜焦平面上的像还可能呈现闪烁。该效应能显著地使两个望远镜之间的通信恶化。
图3画出本发明的一个实施例，当前述恶化在很靠近发射望远镜处出现时，例如孔径直径302远大于到扰动的距离308时，本实施例对前述恶化进行预补偿。在此情形下，靠近发射望远镜的扰动对光束波前的效应，是在接收望远镜上测量然后在发射望远镜上预补偿的。为此，在接收望远镜上检测扰动304导致减小的信号振幅，然后使发射望远镜的主反射镜变形。要完成该变形，发射望远镜301的控制单元309，通过导线311，改变位于或靠近主反射镜320表面的各个电极310的电压。通过在反射镜320与电极310之间施加电压差，在每一电极与反射镜靠近该电极部分之间产生静电吸引力或排斥力，使反射镜变形。该种可变形反射镜在自由空间激光通信系统中的应用，是上面列举的待决申请的主题。改变电极310上的电压，能控制反射镜320变形的程度。结果是，光束303波前的各个部分故意作成与传播线不垂直的波前306发送。在通过扰动304区域后，波前306的故意变形部分于是变成与传播线307垂直，如平面波前305所示。
图4画出自由空间的电信系统，如上所述，为了补偿引起前述失真的靠近发射望远镜的扰动，装上图3本发明实施例的自适应光学部件。在该系统中，激光器419产生的光束，被调制器418用网络410送来的数据调制。然后，被调制的光束传送至望远镜401，望远镜401对光束403整形，使之入射接收望远镜402的焦平面上。光电检测器411检测入射的光能量，把它转换为电信号，并传送至接收器433，接收器433对信号解调。解调的数据然后送至网络409指定的目的地。
不过，如果失真出现在发射望远镜附近，那么，接收的信号振幅可能减小，并且该信号在接收的焦平面上的像可能闪烁。为对该种失真进行预补偿，发射望远镜401的主反射镜要变形。当该反射镜的形状适当变形时，发射望远镜故意把光束倾斜引进发射光束403波前的分散的部分，于是发射望远镜将发射失真的波前406。于是，在波前通过该失真后，大气扰动404产生的折射将使波前恢复为垂直的或接近垂直的波前405。
为了获得前述变形，控制单元409通过网络连接417，接收表明接收的信号振幅减小的指示，并使发射望远镜420的主反射镜或者随机地或者按预定模式地变形。为此，控制单元409向需要变形的、靠近反射镜401表面的个别电极410施加电压。通过改变施加于电极410上的电压，使反射镜401的变形发生变化。在该种变形出现时，监控接收的信号振幅，以确定该变形是否成功地对扰动预补偿。为了对发射信号403的失真在不间断的基础上进行预补偿，在接收望远镜422上，持续地或周期地监控接收的信号的振幅，以发现扰动条件404的变化可能导致的振幅的任何减小。
图4系统的示例性操作步骤画在图7。在步骤501，产生初始的校准信号403。在步骤502确定，如果接收的信号振幅下降，那么系统确定，发射望远镜主反射镜的哪一个别位置需要变形，以及该反射镜各个位置需要变形的大小和方向。在步骤503，使发射望远镜主反射镜变形。一旦系统已经对失真预补偿，则在步骤504开始主通信。虽然通信在继续，但在步骤505，系统持续地监控接收信号的振幅，以发现必须改变主反射镜变形的任何变化。在步骤507，如果检测到信号振幅又再减小，那么在步骤506，本发明再次使发射望远镜的主反射镜变形，尝试对该失真进行补偿。之后，如果系统通过使用自适应光学，已经成功地对失真预补偿，例如由信号振幅的增加证明，那么主通信在步骤508继续。如果该主通信周期在步骤509还未结束，则在步骤505，系统继续监控接收信号的振幅，以发现可能出现的任何振幅的下降，然后在必要时，通过改变发射望远镜主反射镜失真的位置及失真的数量，尝试对该失真进行补偿。
前面仅举例说明本发明的原理。因此，显而易见，本领域熟练人员应能设计体现本发明原理且包含在本发明的精神和范围之内的各种装置，虽然这些装置本文没有明显说明或画出。此外，本文列举的所有例子及有条件的用语，只为叙述清楚的目的，帮助读者理解本发明原理，因而应当认为不受该种特别列举的例子和条件的限制。再有，本文列举本发明的各方面和本发明的实施例的所有叙述，连同举出的特定例子，都涵盖功能上与之等效的内容。
本文关于自由空间光通信的光学望远镜与受数据调制的光束的图，都是概念性的视图。各光学部件的图不一定按比例画出，而是只代表该种部件可能的物理安排。图上画出的光纤仅代表其在望远镜与网络目的地之间传输数据的机理。任何别的把数据从该望远镜传送至网络目的地的通信方法，也可以作为图中另外的方法。
又，虽然公开的实施例，是针对大气扰动使波前失真的预补偿，但存在许多别的该种失真的原因，也可能用本发明进行预补偿。例如，如果光束通过靠近发射望远镜的任何材料，诸如窗玻璃，可以导致显著的波前失真。本发明的方法和设备至少能部分地校正任何波前失真。
本发明公开的实施例的其他方面，实质上也仅是示例性的。例如，虽然实施例举出利用传统的网络连接，向和从望远镜传送信息，但也可以改用无线通信方法。此时，通信系统可以把不同的波长用于反馈信号，以免干扰主通信信号。再有，本发明公开的实施例，是用静电的办法，通过改变加于发射望远镜主反射镜表面附近电极的电压，使该反射镜变形。但是，接收望远镜的任何其他反射镜也可以变形，产生完全相同的结果。本领域熟练人员容易明白，为获得如本发明实施例相同结果，可以使通信系统中的任何反射镜变形。同样，本文用静电效应使反射镜分散的部分变形，但还有另外许多熟知的方法，诸如压电驱动器或机械螺旋。使通信系统中任何反射镜变形的任何方法，都应认为包括在本发明之内。
最后，在发射望远镜上，用自适应光学对波前失真进行预补偿的任何方法，都应认为包括在本发明之内。例如，可以用功能上与反射镜等效的透镜。此外，任何用分片的反射镜使通信光束波前变形，与用单个反射镜在多处个别位置的变形，在功能上是等效的。与使用单个连续的主反射镜或副反射镜不同，分片的反射镜包括许多小反射镜，这些小反射镜能独立地移动，可以获得相同的效果。任何该类方法，或在功能上等效的方法，都明确地包括在本文公开的本发明之内。
权利要求
1.一种用于发射通信信号的发射望远镜，所述发射望远镜包括把光束发射至接收望远镜的发射装置；和调整所述发射装置的调整装置，使所述光束经所述发射望远镜发射之后出现的失真效应，能够被补偿。
2.按照权利要求1的发射望远镜，其中所述调整装置，按照指示所述波前失真的信号的函数，调整所述发射装置。
3.按照权利要求2的发射望远镜，其中所述信号指示接收望远镜上通信信号振幅的下降。
4.按照权利要求1的发射望远镜，其中所述发射装置包括多个对光束整形的反射镜。
5.按照权利要求1的发射望远镜，其中所述发射装置包括一个或多个对光束整形的透镜。
6.按照权利要求2的发射望远镜，其中所述调整装置，使光学部件的至少一个表面变形，以改变发射光束波前的形状。
7.按照权利要求6的发射望远镜，其中所述调整装置，使该望远镜的主反射镜的至少一个表面变形。
8.按照权利要求6的发射望远镜，其中所述调整装置，使该望远镜的副反射镜的至少一个表面变形。
9.按照权利要求6的发射望远镜，其中使光学部件的至少一个表面变形的所述调整装置，是通过产生多个静电力的作用，使所述表面的分散的部分发生变形。
10.按照权利要求9的发射望远镜，其中所述静电力，是在位于所述光学部件至少一个表面附近的电极上，通过改变电极上的电压而产生的。
11.自由空间光通信系统中用于减小光信号波前失真的设备，该自由空间光通信系统包括至少一个发射望远镜和至少一个接收望远镜，该设备包括把光信号从发射望远镜发射至接收望远镜的发射装置；和使所述信号的波前产生失真的产生失真装置，所述波前通过具有变化折射率特征的大气体后变得失真小于通过之前时的失真。
12.按照权利要求11的设备，其中所述产生失真的装置，按照指示所述波前失真的信号的函数，使所述波前产生失真。
13.按照权利要求11的设备，其中所述发射装置包括多个对光信号整形的反射镜。
14.按照权利要求12的设备，其中所述发射望远镜，还包括接收指示所述波前失真的所述信号的装置。
15.按照权利要求12的设备，其中指示所述波前失真的所述信号，是响应接收望远镜上检测到光信号振幅的下降而产生的。
16.一种用于自由空间光通信系统的方法，该方法包括从发射望远镜发射光束；接收所述光束中波前失真的指示；和使所述望远镜的光学部件变形，以产生一种波前，在通过大气扰动后，该波前变得比没有该种变形时更垂直于所述光束的传播线。
17.按照权利要求16的方法，其中发射望远镜光学部件的变形，包括通过产生多个静电力，作用于所述光学部件至少一个表面的分散的部分，使之变形。
18.按照权利要求17的方法，其中所述光学部件，至少包括发射望远镜的一个反射镜。
全文摘要
公开一种自由空间光通信系统，根据该系统，用自适应光学巧妙处理发射望远镜的光学部件，对发射望远镜发射的光束的波前失真，进行预补偿。波前失真由接收望远镜上接收信号的像的至少一种特征变化所显示，例如接收信号振幅的下降。为了降低波前失真和相应地增加接收信号的合成振幅，于是使发射望远镜的反射镜变形。
文档编号H04B10/02GK1394007SQ0212338
公开日2003年1月29日 申请日期2002年6月25日 优先权日2001年6月29日
发明者赫尔曼·M·普里斯拜, 约翰·A·泰森 申请人:朗迅科技公司