专利名称：地面到geo卫星激光通信中信号衰落的抑制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及卫星激光通信技术领域，具体是ー种在地面到地球静止軌道(GEO)卫星的上行激光通信中，降低大气湍流及对准误差引起的信号衰落，从而降低平均发射光功率的ー种方法。
背景技术：
卫星激光通信具有通信容量大、体积小、抗干扰能力强、保密性能好等优点，是卫星通信技术ー个重要发展方向。在卫星到地面的激光通信及地面到卫星的激光通信必然会受到地球大气湍流层的影响。大气湍流会使激光束的波前产生畸变，使激光信号強度起伏(闪烁)、产生衰落，強度起伏的时间尺度约为10毫秒量级，这会严重影响卫星激光通信系统的性能。 大气湍流对卫星到地面的激光通信及地面到卫星的激光通信的影响是不同的。对于卫星到地面的下行激光通信，激光束首先经过远距离的自由空间传输，再穿过约20公里的大气湍流层到达地面站的光接收机。湍流只在靠近接收机的相对比较短的一段距离内起作用。对于采用强度调制/直接探测的卫星一地面的激光通信系统，通过增大地面接收天线直径，利用大孔径的孔径平滑效应或采用多孔径的阵列接收等方法可显著降低湍流强度闪烁的影响。对于地面到卫星的上行激光通信，大气湍流引起的强度闪烁更严重。上行激光束首先穿过约20公里的大气湍流层，然后再经过至少几百公里的自由空间传输。由于卫星上接收天线孔径尺寸有限(一般小于25厘米)，难以采用大孔径或阵列接收天线，因此激光到达卫星上后，強度闪烁很大，会产生深度衰落。对于地面到卫星的上行激光传输，多光束发射技术是目前最常用的一种湍流強度闪烁抑制技术，具有较好的工程实现性。如采用#个互不相关的子光束发射，则总的強度闪烁将降为单个光束強度闪烁的1/#。但这种方法要求各子光束都具有独立的捕获、跟踪及对准(ATP)子系统，并具有独立的光学天线。因此多光束发射系统的总成本将为单光束发射系统的#倍。并且导致激光通信端机体积增大，不便于移动。抑制无线信道的信号強度起伏还有ー种很常用的方法，就是自动功率控制技木。发射机发出的载波信号经过无线信道传输后，由接收机测量接收信号的強度起伏，然后由反向链路将这个强度起伏传送到发射端，再根据这个強度起伏控制发射机的发射功率，从而使接收机接收到的信号強度起伏程度减弱，保持接收功率稳定。这种发射端自动功率控制方法已在无线移动通信中得到了广泛应用，在空间光通信中也可采用类似的方法(刘自力，涂翠霞，自由空间光通信系统及其发送功率的控制方法，中国专利，申请号200410052212. 0)，但这种方法只适用于发射机、接收机相距较近，并且信号強度起伏频率较低的应用条件下。对于地面与卫星之间的通信，由于距离很远，衰落信号波形的回传延时很大，而湍流引起的信号衰落的持续时间只有10毫秒级，此时信道的衰落早已不相关了，因此无法采用这种形式的自动功率控制技术来抑制湍流引起的快速信号衰落。为便于地面站发射的激光束准确对准卫星，卫星需要向地面站发射一束下行信标光，地面站的图像传感器可以根据这束下行信标光，获得目标卫星的方位信息，然后驱动快速偏转镜使上行激光束准确指向卫星，从而消除各种对准误差的影响。本专利申请人的前期研究发现，对于采用收发共用天线系统的地面与卫星之间的双向激光传输，如使地面光学天线处发射的上行激光束的空间振幅及相位分布，与无湍流时下行信标光的空间振幅及相位分布一致，则存在湍流吋，下行信标光在地面接收光学天线焦点处的强度起伏与上行激光束在卫星平面光轴上的強度起伏将是一致的、强相关的。利用这个特性，通过下行信标光，地面站不仅可获得目标卫星的方位信息，还可获得上行激光束在卫星上的光强起伏波形，而不需要在卫星上測量上行激光束的強度起伏波形并回传到地面站，从而可继续采用自动功率控制技术来自动控制上行激光束的发射功率，达到降低上行激光信号衰落，提高激光通信系统性能的目的。对于地面到GEO (对地静止軌道)卫星的上行激光通信，为了克服大气湍流及地面发射机对准误差引起的上行激光束的信号衰落。利用下行信标光在地面接收光学天线后焦 点处的强度起伏与上行激光束在GEO卫星处的強度起伏规律是一致的这ー特点，采用ー根单模光纤实时測量下行信标光的強度起伏波形，然后利用这个强度起伏波形对上行激光束的发射功率进行自适应控制，使GEO卫星接收到的信号功率平稳，从而抑制上行激光束的信号衰落，由于上行激光束在卫星上的光强与下行信标光在地面光学天线后焦点处的强度起伏相关的角度很小，因此这种湍流强度闪烁抑制方法只能应用于地面站(可高速运动)到GEO卫星的上行激光通信中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题针对现有技术由于上行激光束在卫星上的光强与下行信标光在地面光学天线后焦点处的强度起伏相关的角度很小，湍流强度闪烁抑制方法只能应用于地面站到GEO (对地静止軌道)卫星的上行激光通信中。本发明解决上述技术问题的技术方案是提出ー种地面到GEO卫星激光通信中信号衰落的抑制方法。该方法包括，从GEO卫星发出的下行信标激光通过大气湍流后由光学天线(1-1)接收，经过快速偏转镜(1-2)及分光镜(1-3)后，由透镜(1-5)将下行信标光耦合进入后焦面的单模光纤(1-6)中，经过波分复用器(1-7)后用光电探测器(1-8)将信标光转换为电信号，信号处理模块(1-9)对该电信号进行放大以及滤波处理后，可得到下行信标光的強度起伏波形。由于下行信标光强度起伏与上行激光束強度起伏规律是相同的，因此该强度起伏波形可反映沿同一湍流路径传输的上行激光束的強度起伏。将该强度起伏波形送入信号处理中心(1-10)完成信号功率的判断，再通过发送控制模块(1-11)对功率进行自动控制并完成待传数据的调制，其中功率自动控制的方法可通过输入信号的光电转换之后的功率与发射所需的功率进行比较，通过功率反馈电路对功率进行补偿，使其达到所需的功率值；待传数据的调制过程则是利用下行信标光强度起伏的倒数波形去调制待传上行数据波形。最后利用所需功率得到匹配的驱动电流，驱动激光器(1-12)发出激光，该激光功率就具有下行信标光强度起伏波形倒数形式的功率起伏。激光器(1-12)发出的激光由波分复用器(1-7)耦合进入单模光纤(1-6)中，沿与下行信标光信号完全相反的方向传输。经过透镜(1-5)、分光镜(1-3)、快速偏转镜(1-3)后由光学天线(1-1)发射出去，形成准直的上行激光束，最后到达GEO卫星。由于对准误差及大气湍流波前倾斜的存在，为保证下行信标光正确的耦合进入单模光纤(1-6)中，保证上行激光束准确指向GEO卫星，还需要一自动跟踪系统消除对准误差及大气湍流的波前傾斜。自动跟踪系统由分光镜(1-3)分出一部分信标光束，通过光阑(1-15)、透镜(1-13)后在图像传感器(1-14)上成像。由图像传感器(1-14)上光斑图像可获得下行信标光的入射方位，通过驱动控制模块(1-16)使快速偏转镜(1-2)偏转，消除对准误差及大气湍流的波前傾斜。因为下行信标光与上行激光束是通过同一单模光纤的，其传输路径完全相同，只是方向相反，因此自动跟踪过程可同时完成下行信标光到单模光纤(1-6)的耦合及上行激光束对准GEO卫星，光阑(1-15)用来限制信标光束直径，使由图像传感器(1-14)测量的由 湍流引起的波前倾斜可基本反映上行激光束的湍流波前傾斜。在本发明中，采用单模光纤(1-6)获得下行信标光的強度起伏波形，并同时作为上行激光束的输出通道。由这根单模光纤(1-6)实现地面光学天线(1-1)处发射的上行激光束的空间振幅分布，与无湍流时下行信标光的空间振幅分布匹配。从后焦面单模光纤(1-6)输出的上行激光束传输到光学天线(1-1)处的空间振幅分布为高斯分布，其波前相位为一平面。而无湍流时下行信标光在地面光学天线(1-1)处的波前相位也为一平面，但其空间振幅分布为均匀分布。这个均匀平面波继续传输到后焦面单模光纤(1-6)并耦合进入光纤中。根据光耦合理论，这根单模光纤对下行信标光的振幅起空间滤波作用，等效在光学天线(1-1)平面上，滤波后实际起作用的振幅分布将与上行激光束的高斯形振幅分布完全相同。这样，在存在湍流的条件下，单模光纤(1-6)接收的下行信标光的強度起伏可以完全反映卫星上接收的上行激光束的強度起伏。除此之外，单模光纤(1-6)还可保证接收的下行信标光与地面发射的上行激光束的传输路径完全一致，但方向相反，实现更高精度的光束对准。而且在这种情况下，由自动跟踪系统的残余对准误差引起的卫星上接收的上行激光束的強度起伏，与单模光纤接收的下行信标光的強度起伏，其变化规律也是完全相同的。因此这种方法可同时不加区分地抑制大气湍流及残余对准误差引起地信号衰落。本发明的有益效果是
(I)在发射机端可实时获得发射机发出的激光信号到达接收机端的強度起伏波形，避免了在接收机端测量强度起伏波形，并将强度起伏波形从接收机送回到发射机的回传过程，使得在远距离的地面到GEO卫星之间的激光通信中，仍然可以对发射机的发射功率进行自适应控制来抑制瑞流引起快速信号衰落。(2)只采用ー个上行激光束就可极大的抑制大气湍流強度闪烁，降低了上行激光信号的衰落深度。(3)本发明还可抑制地面发射机对准误差引起的上行激光束的信号衰落。(4)技术方案简单，相对于单光束发射，成本增加不大，但可显著降低湍流强度闪烁。与多光束发射技术相比，可极大地降低成本。
图I是本发明的结构示意图。图2是采用前向信号预测的強度起伏波形获取及处理结构示意图。图3是根据多相位屏数值模拟的本发明实施例的有益结果图。
具体实施例方式利用下行信标光的強度起伏与上行激光束強度起伏的相关性来抑制上行激光束強度起伏的一个实施例如图I所示。从GEO (对地静止軌道)卫星上发出的下行信标激光通过大气湍流后由地面光学天线(1-1)(直径D约5 20厘米)接收，光学天线(1-1)为一共焦光学系统，下行信标光经过光学天线
(1-1)后仍为平行光束，但光束直径み被压缩。然后再经过快速偏转镜(1-2)、分光镜(1-3)及透镜(1-5)后，在透镜(1-5)后焦面上耦合进入单模光纤(1-6)中，经过波分复用器(1-7)后用光电探测器(1-8)将信标光转换为电信号，信号处理模块(1-9)对该电信号进行放大以及滤波处理后，可得到下行信标光强度起伏波形。将该强度起伏波形送入信号处理中心(1-10)完成信号功率的判断，再通过发送控制模块(1-11)对功率进行自动控制并完成待传数据的调制，其中功率自动控制的方法可通过输入信号的光电转换之后的功率与发射所需的功率进行比较，通过功率反馈电路对功率进行补偿，使其达到所需的功率值。待传数据的调制过程则是利用下行信标光强度起伏的倒数波形去调制待传上行数据波形。最后利用所需功率得到匹配的驱动电流，驱动激光器(1-12)发出激光，该激光功率就具有下行信标光强度起伏波形倒数形式的功率起伏。激光器(1-12)发出的激光由波分复用器(1-7)耦合进入单模光纤(1-6)中，沿与下行信标光信号相反的方向传输到透镜(1-5)的右焦点处输出。再经过分光镜(1-3)、快速偏转镜(1-2)后到达光学天线(1-1)表面，形成准直的上行激光束。此处上行激光束的振幅分布为高斯分布，波前相位近似为一平面。为消除地面发射机的对准误差及大气湍流的波前倾斜，使下行信标光高效进入单模光纤(1-6)中，并使上行激光束准确指向GEO卫星，还需ー自动跟踪系统。由分光镜(1-3)分出一部分信标光，通过光阑(1-15)、透镜(1-13)后在图像传感器(1-14)上成像。由图像传感器(1-14)上光斑图像可获得下行信标光的入射方位，通过驱动控制模块(1-16)使快速偏转镜(1-3)偏转，消除对准误差及大气湍流波前傾斜。这ー自动跟踪过程可同时完成下行信标光到单模光纤(1-6)的耦合及上行激光束对准GEO卫星。单模光纤(1-6)与图像传感器(1-14)之间可能存在相对位置漂移，使自动跟踪系统的基准位置发生变化，其结果使上行激光束的光轴偏离GEO卫星位置。通常的解决方法是增加ー电子快门(1-17)及角锥棱镜(1-4)，使图像传感器(1-14)也可探測上行激光束的实际出射方向，从而校准自动跟踪系统的跟踪基准。短波长(O. 85 μιη )单模光纤的模场半径W/ —般约2 3微米左右，为使压缩后的信标光更能够高效耦合进入单模光纤(1-6)中，需满足如下条件{/ ,式中ぶ为透镜的焦距，2为激光波长，透镜(1-5)直径为D6，w/为单模光纤的模场半径。
通常条件下/S/D6 ,在该条件下，信标光到单模光纤的最大耦合效率为81. 45%，如再考虑其它因素引起的损耗，50%的耦合效率是可以做到的。从单模光纤端面出射的高斯光束达到透镜(1-5)处时，高斯光束的光腰半径为W6。光阑(1-15)用来限制在图像传感器(1-14)上成像的下行信标光束直径，使图像传感器(1-14)测量的由湍流引起的波前倾斜可基本反映上行激光束的湍流波前倾斜，然后通过快速偏转镜(1-2)的偏转消除湍流引起的波前倾斜及对准误差。一般光阑(1-15)
的孔径半径Rli与透镜(1-13)处上行高斯光束光腰半径W6相当，即R1& = W6。如下行信标光与上行激光束采用不同的波长，则需要对光学天线(1-1)及透镜(1-5)消色差，以保证下行信标光可以会聚在透镜(1-5)后的单模光纤(1-6)端面处的同 时，保证从单模光纤端面发出的上行激光束从光学天线(1-1)出射后是准直的。光学天线(1-1)可以采用透射式天线，也可采用反射式天线，反射式天线不存在色差问题。从单模光纤(1-6)中获得下行信标光的強度起伏波形，并用这个强度起伏波形去控制上行激光束的发射功率，需要一定的信号处理时间，在这一段时间内，由于风速的影响，大气湍流会发生变化，使上行激光束的強度起伏与下行信标光的強度起伏可能不完全一祥，另外机械振动也会使单模光纤的位置改变。一般大气湍流的強度闪烁及机械振动的频率在IOOHz以下，为降低时间延迟引起的误差，信号处理时间必须足够短，小于I毫秒是需要的，最好能达到0. I毫秒以下。在对强度起伏波形的获取及处理时间内，大气湍流及单模光纤位置可能会发生变化。一种更好的信号处理方式是利用強度起伏的相关性，根据以前的強度起伏值预测延时T后的強度起伏值。如图2所示，从单模光纤(1-6)中测量的下行信标光的強度起伏波形，经过A/D转换器(2-1)变为数字信号，然后由前向信号预测模块(2-2)根据前n个采样时刻的数字信
号X(^1)，X(^2)，…,x(ts)，可采用自适应最小均方误差前向信号预测算法等预测算法预
测延时T后的值ズ(ら+ 0 ,再通过D/A转换器(2-3)转换为模拟信号，将该模拟信号送入
信号处理中心(1-10)完成其信号功率的判断，再通过发送控制模块(1-11)对功率进行自动控制并完成待传数据的调制，然后利用所需功率得到匹配的驱动电流，最后驱动激光器(1-12)发出激光。假设信号采样时间间隔r与信号处理时间7相等(T = T )，前向信号预测即根
据信号A' 以前时刻的采样值xC2T'h X0T),--,ズ(《1)，得到1((>1 + 1)の的估计
值，〃表示用于预测的已知数据的个数。可采用如下自适应最小均方误差前向信号预测算法
(I)由以前时刻的采样信号xOT)パ=1，2，…ノ/，，'表示计算自相关时的样本数据个数，i表示采样数据的整数序数，F要求足够大以得到更准确的信号自相关值，计算信号的自相关值叫
权利要求
1.一种地面到GEO卫星激光通信中信号衰落的抑制装置，其特征在于地面光学天线将接收的GEO卫星发出的下行信标光耦合进入单模光纤，获得大气湍流及地面发射机对准误差引起的上行激光束在GEO卫星上光信号的强度起伏波形，测量单模光纤中信标光的强度起伏波形，信号处理中心对该强度起伏波形进行功率判断，发送控制模块对功率进行自动控制并完成待传数据的调制，驱动激光器发出上行激光，该上行激光由波分复用器耦合进入单模光纤中，沿与下行信标光信号相反的方向传输到单模光纤的端面输出，再经过透镜、分光镜，快速偏转镜后，从光学天线出射形成准直的上行激光束。
2.根据权利要求I所述的抑制装置，其特征在于为消除地面发射机的对准误差及大气湍流的波前倾斜，由分光镜分出一部分信标光，通过光阑、透镜后在图像传感器上成像，由图像传感器上形成的光斑图像获得下行信标光的入射方位，通过驱动控制模块使快速偏转镜偏转，消除对准误差及大气湍流波前倾斜。
3.根据权利要求I所述的抑制装置，其特征在于所述进行功率判断具体为，下行信标光的强度起伏波形，经过A/D转换器后由前向信号预测模块根据前η个采样时刻的数字信 号X(^1)，X(t2)，…，xXtJ ,预测延时^后的值+『)，通过D/A转换器转换为模拟信号,送入信号处理中心完成其信号功率的判断。
4.根据权利要求I所述的抑制装置，其特征在于为使信标光高效耦合进入单模光纤中，需满足如下条件/6 / =1.4W//J ,式中Wf为单模光纤模场半径/6为透镜的焦距，；1为激光波长，D6为透镜直径。
5.根据权利要求I所述的抑制装置，其特征在于所述功率自动控制的具体为输入信号光电转换之后的功率与发射所需的功率进行比较，功率反馈电路对功率进行补偿，使其达到所需的功率值；待传数据的调制具体为利用下行信标光强度起伏的倒数波形去调制待传上行数据波形。
6.一种地面到GEO卫星激光通信中信号衰落的抑制方法，其特征在于地面光学天线将接收的GEO卫星发出的下行信标光耦合进入单模光纤，获得大气湍流及地面发射机对准误差引起的上行激光束在GEO卫星上光信号的强度起伏波形，测量单模光纤中信标光的强度起伏波形，信号处理中心对该强度起伏波形进行功率判断，发送控制模块对功率进行自动控制并完成待传数据的调制，驱动激光器发出上行激光，该上行激光由波分复用器耦合进入单模光纤中，沿与下行信标光信号相反的方向传输到单模光纤的端面输出，再经过透镜、分光镜，快速偏转镜后，从光学天线出射形成准直的上行激光束。
7.根据权利要求6所述的抑制方法，其特征在于为消除地面发射机的对准误差及大气湍流的波前倾斜，由分光镜分出一部分信标光，通过光阑、透镜后在图像传感器上成像，由图像传感器上形成的光斑图像获得下行信标光的入射方位，通过驱动控制模块使快速偏转镜偏转，消除对准误差及大气湍流波前倾斜。
8.根据权利要求6所述的抑制方法，其特征在于所述进行功率判断具体为，下行信标光的强度起伏波形，经过A/D转换器后由前向信号预测模块根据前η个采样时刻的数字信号 艰)，X(I2)，…，Χ( Β),预测延时^后的值Χ( Β+Τ)，通过D/A转换器转换为模拟信号，送入信号处理中心完成其信号功率的判断。
9.根据权利要求6所述的抑制方法，其特征在于为使信标光高效耦合进入单模光纤中，需满足如下条件JJD6 ^lAwf /1,式中久为透镜的焦距，Λ为激光波长，O6为透镜直径。
10.根据权利要求I所述的抑制方法，其特征在于所述功率自动控制的方法具体为输入信号光电转换之后的功率与发射所需的功率进行比较，功率反馈电路对功率进行补偿，使其达到所需的功率值；待传数据的调制具体为利用下行信标光强度起伏的倒数波形去调制待传上行数据波形。
全文摘要
一种地面到GEO卫星激光通信中信号衰落的抑制方法及装置。在地面站用一单模光纤测量GEO卫星发出的下行信标光的强度起伏波形，上行激光束通过同一根单模光纤沿与下行信标光相反的方向传输，然后从单模光纤端面出射。用从单模光纤中测量的下行信标光的强度起伏波形的倒数去调制待传上行数据波形，然后驱动激光器发出上行激光，该上行激光束传输到GEO卫星后，大气湍流及地面发射机对准误差引起的信号衰落即可自动消除，使卫星接收的激光功率平稳。在给定的衰落概率下，可降低上行激光束的平均发射功率。
文档编号H04B7/185GK102857294SQ201110178970
公开日2013年1月2日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者向劲松, 杨松, 张孝雷 申请人:重庆邮电大学