CN108833010A - 星地激光通信光束漂移自适应补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星地激光通信光束漂移自适应补偿系统，包括激光发射模块、背向光探测模块、数据处理与反馈模块；激光发射模块为两路，一路由连续激光发射器和二维光学抖动转台构成，用于控制星地激光通信系统中的通信光束；另一路由脉冲激光器和掺铒光纤放大器构成，用于发射探测光束；背向光探测模块包括探测器和数据采集卡；数据处理与反馈模块为计算机。本发明能够简单快捷地实现星地激光通信系统中光束漂移的自适应调整，提高星地激光通信系统的抗大气效应性能。

Description

星地激光通信光束漂移自适应补偿方法及系统

技术领域

本发明属于激光通信领域，特别涉及了一种星地激光通信光束漂移自适应补偿方法及系统。

背景技术

光在大气中传播时，其主要特征如光的强度、波长会由于光携带的能量与大气物质之间相互作用而发生改变。大气条件的变化主要体现在大气中各种颗粒的大小、类型以及聚集程度的变化。由于大气粒子的尺度范围很宽，涉及到几个数量级，因此，大气中主要存在三种散射类型：瑞利散射、米氏散射和拉曼散射。当粒子远小于波长时的散射称为瑞利散射，它是英国科学家瑞利在19世纪末研究天空颜色时提出的。由于大气中的瑞利散射主要是大气中的气体分子造成的，故又称为分子散射，其散射光的强度和波长的四次方成反比。当粒子直径约大于波长的0.03倍时造成的散射称为米氏散射，从很小的粒子开始，当其半径相对于波长而言逐渐增大时，就逐渐发生从瑞利散射向米氏散射过渡。米氏散射是研究均匀介质球散射的经典理论，对于在浮尘、轻雾、大雾和浓雾等恶劣天气条件下，由于大气中的悬浮粒子半径较大，因此都可以用米氏散射理论进行描述。其散射光强度随角度的分布变得十分复杂，粒子相对于波长的尺度越大，分布越复杂。并且当粒子的尺度比波长大时，散射过程和波长的依赖关系就不密切了。拉曼散射强度是瑞利散射的千分之一，且与雾霆的形成关系不大。

大气对通信系统的影响主要集中在对流层。对流层存在着尺度不同(约10～100m)的湍流区。湍流区内与周围介质的折射率有10^-6数量级的差别。这些湍流区如同浸在均匀大气中的介质块，在投射波照射下，其极化电流的辐射场即是散射场，团块极化电流的相位沿着投射波的传播方向逐渐落后。在星地激光通信系统中，其不可避免地受到大气效应的影响，尤其对于上行链路，其受到光束漂移效应明显，而下行链路中，由于光斑到达大气层时本身尺寸要大于大气湍流尺寸，故无光束漂移效应。本专利即主要针对大气湍流对通信激光光束引起的光束漂移效应，并对实时的光束漂移进行自适应补偿。

背向散射法目前在光时域反射仪以及激光雷达中有诸多应用，光在向前传输的过程中会产生少部分光朝发光器背向散射。只要观测到发射激光的背向散射曲线，就可以得到其在不同时间或传输距离时的受大气效应的影响情况。由于大气中存在微小粒子，星地激光通信链路中的激光同样有背向散射效应。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种星地激光通信光束漂移自适应补偿方法及系统，提高星地激光通信系统抗大气效应的性能，由于光束漂移会导致到达星上探测器的光斑的漂移，并且不同的大气信道条件对通信光束产生的光束漂移效应是不同的，该系统能够实时对通信激光光束所受光束漂移效应进行补偿，提高星地激光通信系统抗大气湍流效应的能力。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：一种星地激光通信光束漂移自适应补偿系统，用于星地激光通信系统中大气效应导致的通信激光光束漂移程度的测试并能够对光束漂移采用自适应补偿，以提高星地激光通信系统抗光束漂移的性能。包括激光发射模块、背向光探测模块、数据处理与反馈模块；激光发射模块为两路，一路由连续激光发射器和二维光学抖动转台构成，用于控制星地激光通信系统中的通信光束；另一路由脉冲激光器和掺铒光纤放大器构成，用于发射探测光束；

背向光探测模块包括探测器和数据采集卡，探测器探测发出的激光脉冲的背向散射光，并由数据采集卡实时采集探测器探测得的背向散射光的功率；

数据处理与反馈模块为计算机，用于根据采样数据绘制背向散射光的功率-距离曲线，得到此信道条件下到达大气最外层的光束漂移效应对光束的总影响；并将结果反馈给通信激光发射端，调整二维光学转台，对测得的光束漂移做反向补偿，从而使得星地激光通信系统中的光束受大气湍流效应引起的光束漂移减小。

进一步地，所述探测器为雪崩二极管。

进一步地，所述掺铒光纤放大器位于脉冲激光器的发射端，用于对脉冲光信号进行放大。

本发明还提供了基于上述自适应补偿系统的补偿方法，包括以下步骤：

S1、作为测试光路的脉冲激光器发射周期性脉冲光，在大气信道中产生周期性的背向散射光脉冲信号，其将会被背向光探测模块的探测器所探测；

S2、由数据采集卡对探测器探测到的背向散射的脉冲光信号进行采样，由于大气湍流效应会引起光束漂移，故探测到的背向散射光也受到光束漂移的影响；由计算机绘制背向散射光的功率-距离曲线；其中，背向散射光的衰减由两部分组成：一为背向散射光本身随着传输距离的增加造成的衰减，二为由于大气漂移导致探测器探测的光斑功率降低产生的衰减；

S3、背向光探测模块的APD探测背向光的功率变化，数据采集卡获得APD的曲线，由计算机对数据采集卡采集的功率-距离曲线进行分析，获取到达大气最外层的光束漂移对传输光束的影响；

S4、由计算机控制以一定周期对到达大气最外层的背向散射光作多次采样，获取到达大气最外层的光束漂移效应的平均值后反馈给激光通信端的二维光学平台，控制发射光束的震动，以实现该大气条件下光束漂移的近似实时补偿。

本发明具有以下有益效果：

(1)对于星地激光通信系统，在光束传输过程中，通信光束由于大气湍流效应而产生光束漂移。这将导致到达星上探测器的光斑的漂移，使探测产生一定误差，降低的星地激光通信系统性能。并且，由于大气时刻在运动，因此其湍流效应对通信光束产生的光束漂移时随时变化的，因此，提出一个能实时补偿大气湍流导致的光束漂移的系统对于提高星地激光通信抗大气湍流性能具有重要意义；

(2)本发明充分利用背向散射法，将其由在光纤系统中的应用推广到星地激光通信的自由信道中，系统价格低廉，结构并不复杂，对星地激光通信的链路设计有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例星地激光通信光束漂移自适应补偿系统的系统组成图；

图2为本发明实施例中信道功率-时间谱线测试示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

现有的星地激光通信系统由于其信道为自由大气，激光在传输过程中不可避免地受到大气散射和大气湍流效应的影响。由于大气湍流，对上行链路会产生光束漂移；但是对于下行链路，由于到达大气层时激光光束的光斑尺寸已经大于大气湍流尺寸，故下行链路不会受到光束漂移的影响。由于大气在实时变化，不同地区和天气状况下大气信道条件也不同，建立一个能探测到光束漂移实时情况的发射端二维光学平台，根据背向散射光的探测结果控制发射平台的抖动与大气湍流负相关，提高星地激光通信系统的抗光束漂移性能。本发明基于现状提出了一种星地激光通信光束漂移自适应补偿系统，该方法利用光在大气中的背向散射原理，对星地激光通信系统的研究与建设具有重要意义。

如图1所示，一种星地激光通信光束漂移自适应补偿系统，用于星地激光通信系统中大气效应导致的通信激光光束漂移程度的测试并对光束漂移采用自适应补偿，以提高星地激光通信系统抗光束漂移的能力。包括激光发射模块、背向光探测模块、数据处理与反馈模块；一路为连续激光发射器和二维光学抖动转台，控制星地激光通信系统中的通信光束；一路为脉冲激光器和掺铒光纤放大器，发射探测光束；背向光探测模块包括：探测器、数据采集卡，发射的激光脉冲在自由信道传输时，由于大气介质的散射效应而存在背向散射光。探测器将探测到发出的脉冲光的背向散射光，并由数据采集卡实时采集探测器探测得的背向散射光的功率；数据处理与反馈模块为计算机，采样数据绘制背向散射光的功率-距离曲线，得到此信道条件下到达大气最外层的光束漂移效应对光束的总影响。本发明能够简单快捷地实现卫星激光通信系统中光束漂移的自适应调整，提高星地激光通信系统的抗大气效应性能。由计算机将结果反馈给通信激光发射端，调整二维光学转台，对测得的光束漂移做反向补偿，从而使得星地激光通信系统中的光束受大气湍流效应引起的光束漂移减小。

探测器一般选用雪崩二极管(APD)。由于背向散射光能量较低，而且APD本身存在暗噪声，故在发射端设置掺铒光纤放大器(EDFA)对信号光进行放大。

基于上述系统的方法，步骤如下。

S1：作为测试光路的脉冲激光器每隔一定周期发射脉冲光，由于大气中存在自由微粒，故脉冲光会产生背向散射的光脉冲信号，被探测器所探测；而到达大气层以外后的真空信道，由于没有介质，故不会产生背向散射光；

S2：由EDFA对脉冲光信号进行放大，由于背向散射光本身能量较低，而且由于在大气信道中，脉冲光传输距离较远，故需要对脉冲光进行功率放大；

S3：由数据采集卡对探测器探测到的背向散射的脉冲光信号进行采样，由于大气湍流效应会引起光束漂移，故探测到的背向散射光也受到光束漂移的影响；由计算机绘制背向散射光的功率-距离曲线；其中，背向散射光的衰减由两部分组成：一为背向散射光本身随着传输距离的增加造成的衰减，二为由于大气漂移导致探测器探测的光斑功率降低产生的衰减；当在低层大气以内，背向散射光受到这两部分衰减，而在大气层外，由于真空无散射介质，故无背向散射光。其示意图如图2；

S4：背向光探测模块的APD探测背向光的功率变化，数据采集卡获得APD的曲线，由计算机对数据采集卡采集的功率-距离曲线进行分析，获取到达大气最外层的光束漂移对传输光束的影响；

S5：由计算机控制以一定周期对到达大气最外层的背向散射光作多次采样，获取到达大气最外层的光束漂移效应的平均值后反馈给激光通信端的二维光学平台，控制发射光束的震动，以实现该大气条件下光束漂移的近似实时补偿。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种星地激光通信光束漂移自适应补偿系统，其特征在于：包括激光发射模块、背向光探测模块、数据处理与反馈模块；激光发射模块为两路，一路由连续激光发射器和二维光学抖动转台构成，用于控制星地激光通信系统中的通信光束；另一路由脉冲激光器和掺铒光纤放大器构成，用于发射探测光束；

背向光探测模块包括探测器和数据采集卡，探测器探测发出的激光脉冲的背向散射光，并由数据采集卡实时采集探测器探测得的背向散射光的功率；

数据处理与反馈模块为计算机，用于根据采样数据绘制背向散射光的功率-距离曲线，得到此信道条件下到达大气最外层的光束漂移效应对光束的总影响；并将结果反馈给通信激光发射端，调整二维光学转台，对测得的光束漂移做反向补偿，从而使得星地激光通信系统中的光束受大气湍流效应引起的光束漂移减小。

2.根据权利要求1所述星地激光通信光束漂移自适应补偿系统，其特征在于：所述探测器为雪崩二极管。

3.根据权利要求1所述星地激光通信光束漂移自适应补偿系统，其特征在于：所述掺铒光纤放大器位于脉冲激光器的发射端，用于对脉冲光信号进行放大。

4.星地激光通信光束漂移自适应补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、作为测试光路的脉冲激光器发射周期性脉冲光，在大气信道中产生周期性的背向散射光脉冲信号，其将会被背向光探测模块的探测器所探测；

S2、由数据采集卡对探测器探测到的背向散射的脉冲光信号进行采样，由计算机绘制背向散射光的功率-距离曲线；其中，背向散射光的衰减由两部分组成：一为背向散射光本身随着传输距离的增加造成的衰减，二为由于大气漂移导致的探测器探测的光斑功率降低产生的衰减；

S3、背向光探测模块的APD探测背向光的功率变化，数据采集卡获得APD的曲线，由计算机对数据采集卡采集的功率-距离曲线进行分析，获取到达大气最外层的光束漂移对传输光束的影响；

S4、由计算机控制以一定周期对到达大气最外层的背向散射光作多次采样，获取到达大气最外层的光束漂移效应的平均值后反馈给激光通信端的二维光学平台，控制发射光束的震动，以实现该大气条件下光束漂移的近似实时补偿。