CN108732742B - 一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统及方法 - Google Patents

一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统及方法，包括地面站望远镜(24)、钠信标发射单元(27)、自适应光学单元(25)以及信号收发单元(26)。地面站望远镜(24)向外发出钠信标激光，接收钠导星发出的钠信标光和目标发出的下行通信信号光，其中，钠信标光被自适应光学单元(25)用于波前探测，以对接收的通信信号光进行波前校正，校正后的通信信号光进入信号收发单元(26)进行解调，同时信号收发单元(26)发射上行通信信号光，经过自适应光学单元(25)和地面站望远镜(24)发射出去，实现上行链路通信。本发明为同频段无信标终端的大气激光通信提供了自适应光学校正方法，提高了通信端机的信号接收效率。

Description

一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统及 方法
技术领域
本发明涉及一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统及方法，属于空间激光通信应用领域。
背景技术
传统的激光通信终端包括信标发射单元、信号发射单元和信号接收单元，且信号的发射、接收采用不同频段率以实现各单元间光谱分离。随着构建天地一体化网络对通信终端一对多的数据传输需求，传统的激光通信终端需要信标发射单元及两套以上信号发射单元实现不同终端的两两数据交换，不利于实现星载通信终端的小型化、轻量化和集成化。不同于传统的终端结构，美国中继卫星LCRD计划的激光通信终端采用了无信标技术，地面站望远镜直接利用信号光进行捕获和自适应光学校正。德国航天中心和欧洲空间局研制的LCT-125和LCT135激光通信终端均采用信号光进行捕获，且上行信号光和下行信号光波长均为1064nm，同频段无信标通信终端成为空间光通信的一个重要发展方向。
同频段无信标的通信终端便于实现星间、星地组网，同时可减少发射激光数量、简化终端结构，有利于制造体积小、重量轻和功耗低的星上载荷，但存在以下不足：(1)地面站望远镜的自适应光学单元需分出部分信号光功率进行波前畸变探测，减少了进入通信端机的信号功率；(2)提高了信号的接收、发射隔离难度，特别是增加了自适应光学单元直接探测下行信号的难度。地面站系统中由于大气层的存在，下行信号光强度比大气散射的发射信号光强度低几个数量级，通常的偏振隔离已无法满足要求，散射的信号光将严重干扰地面站自适应光学单元对下行信号光的大气波前畸变的探测及校正。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服同频段无信标终端的星地激光通信中地面站的自适应光学单元的波前探测及校正问题，波前探测系统直接对下行信号光的探测易受到大气散射的上行信号光的干扰，提出了一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统及方法，即利用钠导星信标技术在下行信号光的等晕区内产生人造钠信标，自适应光学单元利用钠信标完成对下行信号光的大气波前畸变的探测与校正。由于钠信标与下行信号光为不同频段率，易于通过光谱分光镜和窄带滤光片实现对大气散射的信号光的隔离。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统，包括地面站望远镜、钠信标发射单元、自适应光学单元、控制装置以及信号收发单元。地面站望远镜向外发出由钠信标发射单元出射的钠信标激光，接收钠导星发出的钠信标光和目标发出的下行通信信号光，其中，钠信标光被自适应光学单元用于波前探测，经控制装置实现对接收的通信信号光进行波前校正，校正后的通信信号光进入信号收发单元进行解调，同时信号收发单元发射上行通信信号光，经过自适应光学单元和地面站望远镜发射出去；
所述的地面站望远镜包括钠信标发射用的信标镜筒和信号收发用的信号镜筒；所述的钠信标发射单元包括钠信标激光器，瞄准镜和中继光路I。钠信标激光器出射的激光经过瞄准镜、中继光路I后，由信标镜筒发射出去。信号镜筒连接自适应光学单元，自适应光学单元连接信号收发单元；
所述的自适应光学单元包括倾斜镜、变形镜、倾斜探测模块、波前传感器以及驱动采集模块，以接收方向来看，倾斜镜和变形镜位于倾斜探测模块和波前传感器之前；所述的倾斜探测模块包括成像透镜和光电探测器，光电探测器位于透镜的焦面上；光电探测器对下行信号光进行探测并计算倾斜像差；波前传感器工作在钠信标波段，用于探测大气湍流除倾斜外的其他像差；所述的控制装置包括驱动采集模块，其采集光电探测器和波前传感器探测的数据，经过计算和处理，获得倾斜镜和变形镜的驱动电压，并控制它们对波前进行校正；驱动采集模块还与瞄准镜连接，并控制其状态，用于调节钠信标激光的发射方向。
优选地，自适应光学单元还包括分光镜Ⅰ，采用光谱分光方式，反射钠信标波段并透过小部分下行通信信号光功率，进入光电探测器，由此实现光电探测器对下行信号光倾斜的探测。
优选地，倾斜探测模块还包括滤光片I，设置于倾斜探测模块支路中，用于透过下行通信信号光，隔离其他杂光。
优选地，滤光片为带通滤光片组，包括两片及以上的滤光片，以达到需要的隔离度。
优选地，自适应光学单元还包括分光镜Ⅱ，采用光谱分光方式，透过钠信标光并反射信号波段，钠信标光透射分光镜Ⅱ后进入波前传感器，由此实现波前传感器对钠信标波段的波前畸变探测。
优选地，自适应光学单元还包括滤光片II，设置于波前传感器支路中，用于透射钠信标波段并反射其他杂散光。
优选地，滤光片II为滤光片为带通滤光片组，包括两片及以上的滤光片，以达到需要的隔离度。
优选地，瞄准镜或倾斜镜可为压电倾斜反射镜、电光晶体、声光晶体之一，以实现光束的偏转控制。
优选地，变形镜可为压电变形反射镜、微机电变形反射镜(MEMS)、液晶相位调制器之一；
优选地，波前传感器可为夏克-哈特曼波前探测器、四棱锥传感器、曲率传感器之一。
优选地，钠信标激光器可为脉冲激光器或连续激光器之一。
优选地，该基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统还包括中继光路II，用于连接地面站望远镜和自适应光学单元，其可以通过透镜、棱镜、反射镜、分光镜等光学变换器件组成，目的在于实现光路中继。
优选地，信号收发单元包括波片、分光镜Ⅲ、准直透镜、信号激光器、耦合透镜和通信探测器。优选地，通信探测器可为光纤探测器或空间光探测器之一。
优选地，信号收发单元的发射信号光和接收信号光为相同频段不同偏振态的信号激光，分光镜Ⅲ采用偏振分光方式将发射信号光和接收信号光分离，其透射信号激光器发出的偏振信号光并反射望远镜接收的卫星下行信号光。
一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正方法，利用上述的系统对卫星下行信号激光自适应光学校正方法为：
信号收发单元发射的上行信号光束经自适应光学单元、由地面站望远镜的信号镜筒发出，利用信号光建立卫星和地面站望远镜的双向捕获跟踪链路；
根据卫星轨道信息和地面站望远镜的俯仰方位信息，驱动采集模块计算瞄准镜的提前角并控制瞄准镜偏转。钠信标激光器发出光束经瞄准镜和中继光路Ⅰ由信标镜筒发出，在下行信号光等晕区范围内的大气钠层共振激发产生钠导星信标。
信号镜筒接收钠导星信标光和卫星下行信号光，小部分信号光进光电探测器，大部分信号光进入信号收发单元；钠导星信标光进入波前传感器。控制计算机采集光电探测器和波前传感器的数据并分别计算倾斜和波前畸变的校正电压，由驱动采集模块产生的驱动电压分别控制倾斜镜和变形镜运动，完成对下行信号光的大气湍流波前畸变的校正。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)采用钠导星信标进行波前探测及校正，容易实现大气波前畸变的探测和校正，为同频段无信标终端的星地通信提供了自适应光学校正方法。
2)直接以信号光进行波前探测时一般需分出约10％的光功率至波前传感器，而采用钠导星信标进行波前探测时，无需分出信号光进行波前探测，提高了信号接收效率。
附图说明
图1为一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施实例进一步说明本发明。
如图1所示，根据本发明实施例的基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统，包括地面站望远镜24、钠信标发射单元27、自适应光学单元25、信号收发单元26、中继光路II 8以及由驱动采集模块6和PC机5组成的控制装置28，由图中虚线框所示。
地面站望远镜24包括钠信标发射用的200mm口径信标镜筒1、信号收发用的660mm信号镜筒7，信标镜筒1和信号镜筒7共用二维机架。信标镜筒1连接钠信标发射单元27，包括中继光路Ⅰ2、瞄准镜3和钠信标激光器4；钠信标激光器4可为脉冲激光器或连续激光器之一，具体地，本实施例选择平均功率为30W的589nm脉冲激光器。瞄准镜3可为压电倾斜反射镜、电光晶体、声光晶体之一，具体地，选择压电倾斜反射镜；信号镜筒7连接中继光路Ⅱ8、自适应光学单元25和信号收发单元26。中继光路I 2和中继光路II 8都各采用一对透镜对，组成4F系统实现光路中继。
对于自适应光学单元25，倾斜镜9为压电倾斜反射镜、电光晶体、声光晶体之一，具体地，本实施例选择Φ36mm口径压电倾斜反射镜；变形镜10可为压电变形反射镜、微机电变形反射镜(MEMS)、液晶相位调制器之一，具体地，本实施例选择Φ36mm口径137单元压变形反射镜；波前传感器17可为夏克-哈特曼波前探测器、四棱锥传感器、曲率传感器之一，具体地，本实施例选择12×12子口径的夏克-哈特曼波前探测器。光电探测器14为近红外CCD相机。驱动采集模块6中的采集子模块采集光电探测器14和波前传感器17探测的数据，经过计算和处理，获得倾斜镜9和变形镜10的驱动电压，并控制它们对波前进行校正；驱动采集模块6还与瞄准镜3连接，并控制其状态，用于调节钠信标激光的发射方向。PC机5显示系统的状态信息并进行人机交互，如显示波前传感器17所探测的波面面型、变形镜10和倾斜镜9的每个驱动器施加电压的情况等，人机交互比如系统开启和关闭操作、波前传感器17和光电探测器14曝光时间的设置等。分光镜Ⅰ11和窄带滤光片Ⅰ12采用光谱分光方式，分光镜Ⅰ11反射589nm钠信标波段(反射率≥99％)透过1550nm信号波段(透过率为10％±2％)，窄带滤光片Ⅰ12对1550nm±5nm波段的透过率≥99％，对589nm±10nm的反射率≥99.9％，对其他400-1600nm的反射率≥99％，利用这样的窄带滤光片可以多片，优选3片，由此实现光电探测器14对钠信标波段的隔离。分光镜Ⅱ15和窄带滤光片Ⅱ16采用光谱分光方式，分光镜Ⅱ15透过589nm钠信标波段(透过率≥99％)并反射1550nm信号波段(反射率≥99％)，钠信标光透射分光镜Ⅱ15并经窄带滤光片Ⅱ16后进入波前传感器17，窄带滤光片Ⅱ16对589nm±10nm的透过率≥99％、对1550nm波段的反射率≥99.9％，并用同样的滤光片可以多片组合在一起，优选3片，实现对信号波段的隔离。
信号收发单元26包括1/4玻片18、分光镜Ⅲ19、准直透镜20、信号激光器21、耦合透镜22和通信探测器23。通信探测器23可为光纤探测器或空间光探测器之一，信号激光器21为平均功率10W的1550nm连续激光器，其发出光的偏振态为P光。分光镜Ⅲ19为偏振分光片，高效反射1550nm波长S光，高效透过1550nm波长P光，其对P光：S光的消光比＞1000:1，P光的透过率＞98％。当然信号激光器21也可以发出光的偏振态为S光。分光镜Ⅲ19高效反射1550nm波长P光，高效透过1550nm波长S光，其对S光：P光的消光比＞1000:1，S光的透过率＞98％。
一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正方法为：
信号激光器21发射偏振态为P光的1550nm上行信号光，其经分光镜Ⅲ19透射、经自适应光学单元25的分光镜II 15、分光镜I 11、变形镜10和倾斜镜9依次反射，再透过中继光路Ⅱ8，并由信号镜筒7发射出去，与卫星目标建立双向捕获跟踪链路；
由卫星轨道和地面站望远镜跟踪方位和俯仰信息计算瞄准提前角，589nm钠信标激光器光束经瞄准镜3按计算提前角由信标镜筒1发射，并在90km钠层共振激发钠原子产生钠信标，由于589nm激光器光束根据下行信号光跟踪信息按计算提前角发射，将在目标卫星等晕区范围内的大气钠层共振激发产生钠导星信标；
信号镜筒7同时接收589nm钠导星信标光和卫星下行1550nm波段信号光，经中继光路Ⅱ8透射、再经倾斜镜9和变形镜10发射后，约10％的卫星下行1550nm信号波段光功率透射分光镜Ⅰ11并经窄带滤光片Ⅰ12后进入光电探测器14，用于探测斜率像差，并将结果送给控制装置28；其余信号光与钠导星信标光被分光镜Ⅰ11反射，其中钠导星信标光透过分光镜II 15，经窄带滤光片II 16透射后，进入波前传感器17，用于探测畸变波前，并将结果送给控制装置28；而信号光被分光镜II 15反射，经信号收发单元26的玻片18透射，再经分光镜Ⅲ19反射、透过耦合透镜22最终进入通信探测器23。由于钠信标无法直接探测大气湍流的倾斜像差，因此采用光电探测器14对卫星下行信号光的进行倾斜像差探测，波前传感器17工作在钠信标波段，用于探测大气湍流除倾斜外的其他像差；
控制装置28中的驱动采集模块6采集光电探测器14和波前传感器17的数据并分别计算倾斜镜9和变形镜10的校正电压，由驱动采集模块6产生的驱动电压分别控制倾斜镜9和变形镜10运动，以实现对下行信号光的大气湍流波前畸变的校正。
采用钠导星信标进行波前探测及校正，容易实现对信号光波段的隔离，由分光镜Ⅱ15和窄带滤光片Ⅱ16组合可实现波前传感器17对信号光波段≥100dB的隔离，使波前探测不受信号发射及大气散射的信号光干扰，且系统无需分出信号光进行波前探测，提高了地面站的信号接收效率，为同频段无信标终端的星地通信提供了自适应光学校正方法。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定，不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (14)

1.一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统，其特征在于：包括地面站望远镜（24）、钠信标发射单元（27）、自适应光学单元（25）、控制装置（28）以及信号收发单元（26）；地面站望远镜（24）向外发出由钠信标发射单元出射的钠信标激光，接收钠导星发出的钠信标光和目标发出的下行通信信号光，其中，钠信标光被自适应光学单元（25）用于波前探测，经控制装置（28）实现对接收的通信信号光进行波前校正，校正后的通信信号光进入信号收发单元（26）进行解调，同时信号收发单元（26）发射上行通信信号光，经过自适应光学单元（25）和地面站望远镜（24）发射出去；
所述的地面站望远镜（24）包括钠信标发射用的信标镜筒（1）和信号收发用的信号镜筒（7）；所述的钠信标发射单元（27）包括钠信标激光器（4），瞄准镜（3）和中继光路I（2）；钠信标激光器（4）出射的激光经过瞄准镜（3）、中继光路I（2）后，由信标镜筒（1）发射出去；信号镜筒（7）连接自适应光学单元（25），自适应光学单元（25）连接信号收发单元（26）；
所述的自适应光学单元（25）包括倾斜镜（9）、变形镜（10）、倾斜探测模块、波前传感器（17）以及驱动采集模块（6）；顺着接收方向看，倾斜镜（9）和变形镜（10）位于倾斜探测模块和波前传感器（17）之前；所述的倾斜探测模块包括会聚透镜（13）和光电探测器（14），光电探测器（14）位于会聚透镜（13）的焦面上；光电探测器（14）对下行信号光进行探测并计算倾斜像差；波前传感器（17）工作在钠信标波段，用于探测大气湍流除倾斜外的其他像差；所述的控制装置（28）包括驱动采集模块（6），其采集光电探测器（14）和波前传感器（17）探测的数据，经过计算和处理，获得倾斜镜（9）和变形镜（10）的驱动电压，并控制它们对波前进行校正；驱动采集模块（6）还与瞄准镜（3）连接，并控制其状态，用于调节钠信标激光的发射方向。
2.根据权利要求1所述的一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统，其特征在于：自适应光学单元（25）还包括分光镜Ⅰ（11），采用光谱分光方式，反射钠信标波段并透过小部分下行通信信号光功率，进入光电探测器（14），由此实现光电探测器（14）对下行信号光倾斜的探测。
3.根据权利要求1所述的一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统，其特征在于：所述的倾斜探测模块还包括滤光片I（12），设置于倾斜探测模块支路中，用于透过下行通信信号光，隔离其他杂光。
4.根据权利要求3所述的一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统，其特征在于：所述的滤光片为带通滤光片组，包括两片及以上的滤光片，以达到需要的隔离度。
5.根据权利要求1所述的一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统，其特征在于：自适应光学单元（25）还包括分光镜Ⅱ（15），采用光谱分光方式，透过钠信标光并反射信号波段，钠信标光透射分光镜Ⅱ（15）后进入波前传感器（17），由此实现波前传感器（17）对钠信标波段的波前畸变探测。
6.根据权利要求1所述的一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统，其特征在于：所述的自适应光学单元（25）还包括窄带滤光片II（16），设置于波前传感器（17）支路中，用于透射钠信标波段并反射其他杂散光。
7.根据权利要求6所述的一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统，其特征在于：所述的窄带滤光片II（16）为滤光片为带通滤光片组，包括两片及以上的滤光片，以达到需要的隔离度。
8.根据权利要求1所述的一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统，其特征在于：所述的瞄准镜（3）或倾斜镜（9）可为压电倾斜反射镜、电光晶体、声光晶体之一，以实现光束的偏转控制。
9.根据权利要求1所述的一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统，其特征在于：所述的变形镜（10）可为压电变形反射镜、微机电变形反射镜（MEMS）、液晶相位调制器之一，所述的波前传感器（17）为夏克-哈特曼波前探测器、四棱锥传感器、曲率传感器之一。
10.根据权利要求1所述的一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统，其特征在于：钠信标激光器（4）可为脉冲激光器或连续激光器之一。
11.根据权利要求1所述的一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统，其特征在于：还包括中继光路II（8），用于连接地面站望远镜（24）和自适应光学单元（25），其可以通过透镜、棱镜、反射镜、分光镜光学变换器件组成，目的在于实现光路中继。
12.根据权利要求1所述的一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统，其特征在于：信号收发单元（26）包括玻片（18）、分光镜Ⅲ（19）、准直透镜（20）、信号激光器（21）、耦合透镜（22）和通信探测器（23），通信探测器（23）可为光纤探测器或空间光探测器。
13.根据权利要求12所述的一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统，其特征在于：信号收发单元（26）的发射信号光和接收信号光为相同频段不同偏振态的信号激光，分光镜Ⅲ（19）采用偏振分光方式将发射信号光和接收信号光分离，其透射信号激光器（21）发出的偏振信号光并反射望远镜接收的卫星下行信号光。
14.一种基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正方法，利用权利要求1所述的基于钠导星的星地同频段光通信自适应光学校正系统，其特征在于：对卫星下行信号激光自适应光学校正方法为：
信号收发单元（26）发射的上行信号光束经自适应光学单元（25）、由地面站望远镜（24）的信号镜筒（7）发出，利用信号光建立卫星和地面站望远镜（24）的双向捕获跟踪链路；
根据卫星轨道信息和地面站望远镜（24）的俯仰方位信息，驱动采集模块（6）计算瞄准镜（3）的提前角并控制瞄准镜（3）偏转；钠信标激光器（4）发出光束经瞄准镜（3）和中继光路Ⅰ（2）由信标镜筒（1）发出，在下行信号光等晕区范围内的大气钠层共振激发产生钠导星信标；
信号镜筒（7）接收钠导星信标光和卫星下行信号光，小部分信号光进光电探测器（14），大部分信号光进入信号收发单元（26）；钠导星信标光进入波前传感器（17），控制计算机采集光电探测器（14）和波前传感器（17）的数据并分别计算倾斜和波前畸变的校正电压，由驱动采集模块（6）产生的驱动电压分别控制倾斜镜（9）和变形镜（10）运动，完成对下行信号光的大气湍流波前畸变的校正。
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