CN104618017B - 提高大气激光通信链路波前质量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

提高大气激光通信链路波前质量的装置和方法

技术领域

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

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。

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.ICSOS 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。

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

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。

为解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：

一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。

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：

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；

②计算质心位置；信号光的畸变波前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φ_n(x,y)，每个分区波面通过微透镜在CCD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12×12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：

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，I_ij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I_ij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，x_ref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S_1×2N，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:式中，Z_i(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k＝69个驱动器所需的电压值数组V_k×1；计算方法为：其中为变形镜k＝69个驱动器影响函数F_j×k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V_k×1发送给变形镜的控制器，所述的变形镜产生和畸变波前共轭的面型来补偿所述波前的畸变量；

⑦对于剩余的无法由变形镜校正的高频的波前畸变量，通过由光学4f系统和空间滤波针孔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＝2πr/λf₁的高频调制成分，其中r为空间滤波针孔的半径，λ为信号光波长，f₁为光学4f系统中透镜的焦距；

⑧信号光得到一个校正后，继续经过第三偏振分束器反射进入波前检测系统进行检测，这样对信号光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，提高校正带宽。

本发明的技术效果：

信号光的偏振态通过转动第一半波片和第二半波片进行调节，第一偏振分束器、第二偏振分束器和第三偏振分束器都是反射s偏振光，透射p偏振光，通过转动半波片1使信号光最大量的转化为s偏振光，经第一偏振分数器进入校正光路，快反镜和变形镜分布在第二偏振分束器的两侧，波前校正顺序是先通过快反镜校正低阶畸变再经过变形镜校正高阶畸变，转动第二半波片调节信号光的能量在单模光纤耦合器和哈特曼波前传感器之间的分束比例，光路结构紧凑高效。哈特曼波前传感器负责对信号光波前进行实时探测，其获得的波前数据传输给外围的PC机，进行波前复原和校正运算，然后PC机向变形镜和快反镜传输数据指令对信号波前进行校正，剩余的无法由变形镜校正的高频畸变由空间滤波系统滤除。

本发明装置的控制带宽达到580Hz，可实时补偿大气湍流引起的波前畸变，波面校正后的剩余误差均方根可小于λ/50。通过空间滤波系统和自适应光学系统的结合同时实现了高的系统带宽和高的补偿精度，保障相干激光通信大气链路中有较高的外差效率和单模光纤耦合效率。

附图说明

图1是哈特曼波前传感器上波前在各个分区上投影焦点的示例。

图2是本发明提高相干激光通信大气链路中光束波前质量装置示意图。

具体实施方式

请参阅图2，图2是本发明提高相干激光通信大气链路中光束波前质量装置示意图。由图可见，本发明提高大气激光通信链路光束波前质量的装置，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、单模光纤耦合器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φ_n(x,y)，每个分区波面通过微透镜在CCD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12×12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：

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，I_ij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I_ij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，x_ref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S_1×2N，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:式中，Z_i(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的k＝69个驱动器所需的电压值数组V_k×1；计算方法为：其中为变形镜9的k＝69个驱动器影响函数F_j×k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V_k×1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的畸变量；

⑦对于剩余波前畸变量，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＝2πr/λf₁的高频调制成分，其中r为空间滤波针孔12的半径，λ为信号光波长，f₁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1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，提高校正带宽。

地面望远镜接收到信号光2后，经过目镜1准直并缩束至6mm，信号光束2穿过第一半波片3后被第一偏振分束器4反射至校正光路，第一半波片3和第一偏振分束器4以垂直角度放置，由于第一偏振分束器4反射s偏振光，所以调节第一半波片3将最大量的信号光转换为s偏振光，本方法中的偏振分束器均为12.7mm尺寸的分束立方体，偏振分束器的偏振消光比为：透射光能量/反射光能量>1000/1。第二偏振分束器5将s偏振的信号光反射，经过第一四分之一波片6后到达至快反镜7，该快反镜7可以在二维的方向上转动以调节光束的方位角和俯仰角。光束被快反镜7反射后穿过两次第一四分之一波片6后转换为p偏振光，然后光束穿过第二偏振分束器5，经过第二四分之一波片8后到达变形镜9，本方法中采用的变形镜包含69个驱动器单元，反射式的光学镜面口径为10.5mm，驱动器间距1.5mm，驱动器稳定时间为0.9ms，69个驱动器接收来自PC机运算得到的控制电压信号，产生和信号光波前共轭的面型进而补偿波前误差。被变形镜9反射的光束穿过两次第二四分之一波片8后转换为s偏振光，进而信号光被第二偏振分束器5反射穿过第二半波片10后进入光学4f系统11，光学4f系统11两端的透镜组焦距为75mm，其焦点处放置一个空间滤波针孔12。然后光束被第三偏振分束器13分束，调节第二半波片10使极小能量光束反射进入哈特曼波前传感器14，剩余的大部分光则穿过第三偏振分束器13进入单模光纤耦合器15耦合进入单模光纤16，哈特曼波前传感器14由CCD和微透镜阵列组成，微透镜阵列焦距3.5mm，每个微透镜在CCD像面上聚焦，PC机采集到CCD像面的光强分布数据后，对每个微透镜区域的光强数据运用质心算法得到精确的焦斑质心位置，根据畸变波前各个焦斑质心位置和参考平面波前质心位置之差将畸变波前复原出来，本方法中采用的是19阶Zernike模式复原法。根据复原的畸变波前，将低阶的畸变量(光束的俯仰角和方位角误差)分配给快反镜7进行校正，高阶的畸变量利用变形镜9进行校正，剩余的更高阶的波前误差量则用空间滤波针孔12进行滤除，针孔口径根据实际校正过程中的剩余波前畸变量进行选择，剩余波前畸变量阶数越高对应的针孔尺寸越大。整个装置工作在闭环状态，PC机每向快反镜和变形镜发送一次数据就对信号光2波前完成一次校正。经过校正的信号光进入单模光纤16后，可成功实现后续的信号解调。

Claims (2)

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)、单模光纤耦合器(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所述的信号光束(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；信号光束(2)的畸变波前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φ_n(x,y)，每个分区波面通过微透镜在CCD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12×12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：

每个焦点质心的x方向坐标的计算方法为：

y方向坐标的计算方法为：

式中，(x_i,y_i)为CCD像面上第n个微透镜分区内第i行第j列像素点，I_ij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I_ij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，x_ref为第n个微透镜阵列分区的几何中心x方向坐标，y_ref为第n个微透镜阵列分区的几何中心y方向坐标，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S_1×2N，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:式中，Z_i(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)的电压值数组V_k×1，其中，k＝69是变形镜(9)的驱动器个数；计算方法为：其中为变形镜k＝69个驱动器影响函数F_j×k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V_k×1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＝2πr/λf₁的高频调制成分，其中r为空间滤波针孔(12)的半径，λ为信号光波长，f₁为光学4f系统(11)中透镜的焦距；

⑧信号光束(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。