提高大气激光通信链路波前质量的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光通信，特别是一种提高大气激光通信链路波前质量的装置和方 法。
【背景技术】
[0002] 当前，航天工程中对高速的远距离通信需求越来越高，而容量低、重量大、功耗高 的无线电通信模式已经越来越无法满足要求。空间相干激光通信以激光为信息载体，将目 前广泛应用与地面的光纤通信技术应用与空间当中。这项技术拥有容量大、体积小、功耗 低、安全性好等特点，可有效解决空间站、卫星和飞行器以及地面接收站之间的数据通信瓶 颈问题。空间激光通信技术也具有很高的军事应用潜力，目前已经受到世界范围内的高度 重视。二十多年来，以欧洲、美国和日本为代表的各国及地区航天局已经进行了多次空间激 光通信的实验验证。2008年，德国的TerraSAR - X低轨卫星与相距5000km的美国NFIRE低 轨卫星成功实现了 5. 6Gbps的双向相干激光通信实验[Proc.SPIE 7199,719906(2009)]， 这说明相干激光通信技术在空间应用中拥有巨大前景。这项技术虽然在卫星之间的通信链 路中得到成功验证，但是在卫星与地面的大气链路中却面临了严峻的考验。2011年，哈工大 成功实现了国内首次星地激光通信链路实现，当时采用非相干的通信技术虽然受到大气湍 流的影响较小，但是通信码率很低，无法全部体现激光通信的优势。所以要实现高码率的大 气相干通信激光链路，大气湍流的影响是必须克服的。
[0003] 大气湍流可导致信号光的到达角起伏及波前畸变等问题，严重降低相干接收机信 号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纤通信技术，湍流对单模光 纤的耦合也造成了巨大的困难[Proc. of SPIE Vol. 7464746406(2009)]。对于差分自相干 通信接收技术，尽管不存在信号光和本振光外差效率低的问题，但是依然面临单模光纤耦 合效率低下的问题[Proc. ICS0S 13-2(2012)]。由于单模光纤只能接受高斯基模光束，所以 波前扭曲和指向角度抖动的信号光束的耦合效率将小于-20dB。而且由于空间通信链路长 度可达千公里以上，几何发散导致的望远镜收集到的信号光能量很低，这种情况下，波前畸 变产生的极低的外差效率和单模光纤耦合效率将大大增加信号解调的误码率。
[0004] 为了改善大气链路信号光束的波前质量，自适应光学是可行的一种方法。2004 年有人曾对利用自适应光学解决大气激光通信链路的单模光纤耦合进行了理论分析 [Proc. SPIE 5578,40 - 51 (2004)]，说明理想情况下，自适应光学是可以大幅改善波前质 量并提高单模光纤耦合效率的。但是由于大气湍流的时间变化可达几百Hz，自适应系统 很难在这样高的环路带宽里得到高的校正精度，如果降低系统带宽，则无法在时间上完 全校正信号波前的畸变，对于码率高达Gbit/s的通信系统，这将引入大量的误码。所以 受限于控制系统的带宽和校正算法以及哈特曼波前传感器的精确度，单纯采用自适应光 学系统进行波前校正的方法对于相干激光通信系统而言并不理想。2013年，针对空间激 光通信星上平台的振动引起的光束指向问题，有人提出了的单模光纤的耦合方案[Opt. Exp. 21，18434-18441 (2013)]。而在大气通信链路中，湍流既会引起的光束到达角的抖动又 会有高阶波前畸变等问题，所以为了较好的改善单模光纤耦合效率，波前畸变的校正也是 需要的。
【发明内容】
[0005] 本发明目的在于提供一种提高大气激光通信链路波前质量的装置和方法，主要实 现对信号光束的波前畸变的实时校正，进而提高波前质量和单模光纤耦合效率，同时实现 了高的系统带宽和高的补偿精度。
[0006] 为解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：
[0007] -种提高大气激光通信链路光束波前质量的装置，其特点在于：该装置包括地面 接收端的准直目镜，沿该准直目镜输出的信号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、光学4f系统、第三 偏振分束器、单模光纤耦合器和单模光纤，在第二偏振分束器的右方依次是第一四分之一 波片和快反镜，在第二偏振分束器的左方依次是第二四分之一波片和变形镜，在第三偏振 分束器的左方是哈特曼波前传感器，该哈特曼波前传感器的输出端接计算机，该计算机的 输出端与所述的快反镜和变形镜的控制端相连，在光学4f系统的焦点处放置空间滤波针 孔；所述的哈特曼波前传感器由微透镜阵列和CCD组成，构成波前检测系统，所述的变形镜 和快反镜组成所述装置的波前校正系统；所述的光学4f系统和空间滤波针孔组成空间滤 波系统；所述的哈特曼波前传感器通过图像采集卡和计算机连接；该计算机通过数模转换 卡连接所述的变形镜和快反镜的控制端。
[0008] 利用上述的装置提高大气激光通信链路光束波前质量的方法，该方法包括下列步 骤：
[0009] ①所述的信号光进入权利要求1所述的提高大气激光通信链路光束波前质量的 装置，以下简称为装置，经第三偏振分束器分为透射光和反射光，该第三偏振分束器的偏振 消光比为：透射光能量/反射光能量>1000/1，所述的透射光经所述的单模光纤耦合器，由 所述的单模光纤输出，所述的反射光进入所述的哈特曼波前传感器；
[0010] ②计算质心位置；信号光的畸变波前供(U)首先被哈特曼波前传感器中的微透 镜阵列分为N = 437个分区波面（K(x，y)，每个分区波面通过微透镜在(XD像面上形成一 个投影焦点，每个分区在CCD像面上覆盖了上了 12X 12个像素点，对各个投影焦点的质心 坐标按下列公式进行计算：
[0011] 每个焦点质心的x坐标的计算方法为：
【主权项】
1. 一种提高大气激光通信链路光束波前质量的装置，其特征在于：该装置包括地面接 收端的准直目镜（1)，沿该准直目镜（1)输出的信号光束（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)、光学4f系统（11)、第三偏振分束器（13)、单模光纤親合器（15)和单模光纤 (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)和快反镜（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)和变形镜（9)，在第三偏振分束器（13) 的左方是哈特曼波前传感器（14)，该哈特曼波前传感器（14)的输出端接计算机，该计算机 的输出端与所述的快反镜和变形镜的控制端相连，在光学4f系统（11)的焦点处放置空间 滤波针孔（12);所述的哈特曼波前传感器（14)由微透镜阵列和CCD组成，构成波前检测 系统，所述的变形镜（9)和快反镜（7)组成所述装置的波前校正系统；所述的光学4f系统 (11)和空间滤波针孔（12)组成空间滤波系统；所述的哈特曼波前传感器（14)通过图像采 集卡和计算机连接；该计算机通过数模转换卡连接所述的变形镜（9)和快反镜（7)的控制 端。
2. 利用权利要求1所述的装置提高大气激光通信链路光束波前质量的方法，其特征在 于该方法包括下列步骤： ① 所述的信号光（2)进入权利要求1所述的提高大气激光通信链路光束波前质量的 装置，以下简称为装置，经第三偏振分束器（13)分为透射光和反射光，该第三偏振分束器 (13) 的偏振消光比为：透射光能量/反射光能量>1000/1，所述的透射光经所述的单模光 纤耦合器（15)，由所述的单模光纤（16)输出，所述的反射光进入所述的哈特曼波前传感器 (14) ; ② 计算质心位置；信号光（2)的畸变波前河.U)首先被哈特曼波前传感器中的微透 镜阵列分为N= 437个分区波面<K(x，y)，每个分区波面通过微透镜在(XD像面上形成一 个投影焦点，每个分区在CCD像面上覆盖了上了 12X12个像素点，对各个投影焦点的质心 坐标按下列公式进行计算： 每个焦点质心的x坐标的计算方法为
y坐标的计算方法为
式中，L为CCD像面上第n个微透镜分区内第i行第j列像素点的光强度值，CCD每 个像素点的光强度值L由图像采集卡采集；
③ 计算波前斜率：按下列公式计算第n个微透镜分区对应的x和y两个方向的波前斜 率： x方向的计算公式为y方向的计算公式为
其中，xMf为第n个微透镜阵列分区的几何中心x坐标，f为微透镜阵列的焦距； ④ 复原波前：根据所有微透镜分区的波前斜率S1X2N，利用19阶Zernike模式法复原出 畸变的波前复原的波前用Zernike多项式表示：f4 ，式 中，Zi(x,y)为Zernike多项式的第i阶项，m= 19为Zernike多项式的阶数，多项式的系 数的计算方法为為x," =Zwx27V ? ?S1><2iV ,Zwx2jV为Zernike多项式在N个微透镜阵列分区 斜率的广义逆矩阵； ⑤ 波前校正运算：得到变形镜（9)k= 69个驱动器所需的电压值数组Vkxl;计算方法 为：= €；/ ?軾尽刃片，其中为变形镜k= 69个驱动器影响函数FjXk的广义逆矩 阵； ⑥ 校正波前：计算机通过模数转换卡将步骤⑤计算得到的电压值数组Vkxi发送给变形 镜（9)的控制器，所述的变形镜（9)产生和畸变波前共轭的面型来补偿所述波前少)的 畸变量； ⑦ 对于剩余的无法由变形镜（9)校正的高频的波前畸变量，通过由光学4f系统（11) 和空间滤波针孔（12)组成的空间滤波系统进行滤除，空间滤波系统滤除掉波面上高于空 间频率为W= 2 31r/A4的高频调制成分，其中r为空间滤波针孔（12)的半径，A为信号 光波长，为光学4f系统（11)中透镜的焦距； ⑧ 信号光（2)得到一个校正后，继续经过第三偏振分束器（13)反射进入波前检测系统 进行检测，这样对信号光（2)进行循环的波前检测和校正，装置工作在闭环状态；计算机上 对波前进行质心计算_波前复原-波前校正的运算过程中采用并行双线程处理，提高系统 带宽。
【专利摘要】一种提高大气激光通信链路波前质量的装置和方法，该装置包括地面接收端的准直目镜，沿该准直目镜输出的信号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、光学4f系统、第三偏振分束器、单模光纤耦合器和单模光纤，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镜，在第二偏振分束器的左方依次是第二四分之一波片和变形镜，在第三偏振分束器的左方是哈特曼波前传感器，该哈特曼波前传感器的输出端接计算机，该计算机的输出端与所述的快反镜和变形镜的控制端相连。本发明对信号光束的波前畸变实时校正，进而提高波前质量和单模光纤耦合效率，同时实现了高的系统带宽和高的补偿精度。
【IPC分类】H04B10-11, H04B10-2507
【公开号】CN104618017
【申请号】CN201510028630
【发明人】陈卫标, 李佳蔚, 孙建锋
【申请人】中国科学院上海光学精密机械研究所
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月21日