CN109194402B - 空间光通信的相干跟踪及视轴误差补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于空间光通信的相干跟踪及视轴误差补偿系统，解决了现有跟踪补偿系统电路复杂性高，探测灵敏度低，系统脆弱及硬件要求难以实现等问题。包括：光路单元、探测单元、信息处理与控制单元；其中，利用光路单元为接收到的信号光施以规则的周期运动，再通过探测单元实现相干探测，最后信息处理与控制单元估计信号光视轴误差，进而反馈到光路系统进行补偿。本发明有效降低了信号光随机抖动对相干探测效率的影响，提高了空间光相干通信的灵敏度与精度，简化了系统结构，适用于高精度空间光通信领域。

Description

空间光通信的相干跟踪及视轴误差补偿系统

技术领域

本发明涉及空间光通信技术领域，更具体的说是涉及一种用于补偿由于激光抖动而造成的相干探测误差的空间光通信的相干跟踪及视轴误差补偿系统。

背景技术

空间光(FSO)通信由于其高数据速率已经成为卫星通信的主要技术趋势。相干通信具有较高的接收灵敏度和对太阳的免疫能力，是长距离高数据速率光链路的首选链接。目前许多光通信系统都基于相干技术，相干终端往往采用相干跟踪技术，相干跟踪技术不受背景光的影响，由于相干性质，噪声等效角(NEA)小于非相干跟踪技术。

目前，相干跟踪主要方案有：

光二元探测器相干跟踪方案：通过将平衡探测通信光信号的两个探测器分别用一条方向相互正交的直线死区分为两半而得到二元探测器，以计算归一化相干信号差的方式分别测量绕方位和俯仰轴的信号光视轴误差。由于探测单元的增加及信号运算的需要，导致后续电路较为复杂；两个探测器单元带来更大的噪声；探测器单元的死区造成约为0.46dB的损耗。

光纤章动相干跟踪方案：通过同步解调光纤章动运动方向和耦合进入光纤的信号光的相干接收信号的包络起伏来获取信号光视轴误差。由于耦合进入光纤的空间光束与光纤导波模式存在差异，耦合效率存在理论损失约0.86dB，加之由章动引入的耦合效率损耗，通信接收灵敏度衰退在1dB以上。此外，光纤作为章动器件可靠性较差，容易因为材料疲劳而断裂，并且光纤器件在太空环境中使用还面临防护加固等问题，在体积质量方面处在劣势。

本振光章动相干跟踪方案：利用快速反射镜使得本振光做章动运动，根据相干信号的输出包络获取信号光视轴误差。这种方式会引入一个快速反射镜系统为本振光提供章动和一个快速反射镜系统为信号光补偿抖动而带来较大的额外系统噪声，并且对快速反射镜的谐振频率要求较高。

因此，如何更好的降低相干跟踪的系统误差，提高相干探测精度，提供一种结构简单、切实可靠的相干跟踪及误差补偿系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明利用信号光规则运动的方式来计算并补偿跟踪误差，用一个快速反射镜完成信号光的章动和补偿两个功能，从而降低对快速反射镜的谐振频率要求，减小探测系统误差。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种空间光通信的相干跟踪及视轴误差补偿系统，包括光路单元、探测单元、信息处理与控制单元；

所述光路单元包括激光器、快速反射镜、合束镜、聚焦透镜；

所述探测单元包括相干探测模块、与所述相干探测模块连接的低频放大器；

所述信息处理与控制单元包括与所述低频放大器依次连接的信息处理模块、伺服控制系统；

信号光通过所述快速反射镜上的镜片发生反射，同时所述伺服控制系统控制所述快速反射镜进行周期运动；所述激光器发射本振激光，本振激光和信号光一起通过合束镜；经过合束的合束光透过所述聚焦透镜照射在所述相干探测模块上；所述相干探测模块输出的电流经过所述低频放大器放大后传输至所述信息处理模块；所述伺服控制系统接收经所述信息处理模块处理得到的视轴误差补偿信息再控制所述快速反射镜进行补偿。

其中，信号光在所述快速反射镜的周期运动下不需要做完整的章动运动，在视轴抖动误差补偿过程中只取章动轨迹的四个对称点，从而降低对快速反射镜的谐振频率要求，减小探测系统误差。

优选的，所述激光器发射频率与信号光相等且相位稳定的本振激光，利用无抖动标定激光调配信号光入射光路，无抖动标定激光经所述快速反射镜反射，利用所述合束镜与本振激光聚焦在所述相干探测模块的光敏面中心。

优选的，相干跟踪及视轴误差补偿方法包括如下步骤：

1)调配信号光入射光路，调整所述快速反射镜进行周期运动，使得无抖动标定激光平行于本振激光入射时按照固定轨迹在所述相干探测模块的光敏面做周期运动；

2)信号光平行入射，受自身抖动影响，信号光在所述相干探测模块的光敏面产生新的运动轨迹；

3)通过信息处理模块获得所述相干探测模块的输出信号包络，根据信号包络的变化规律，求得信号光单位周期内在轨迹不同点时所述相干探测模块输出功率的极大值Pmax与极小值Pmin，进而估计信号光的视轴误差量；

4)将视轴误差量反馈给所述伺服控制系统，调节快速反射镜进行视轴误差补偿。

优选的，采用递进式补偿思路，反馈补偿的视轴误差量小于实际的视轴误差，

利用式

其中，r为信号光光斑半径，φ为快速反射镜偏转移动给信号光造成的额外视轴误差角度，λ为信号光波长，J₁(x)为一阶贝塞尔函数，以α′估算信号光的视轴误差量，利用

估算应反馈补偿的视轴误差角度；

所述快速反射镜的角度补偿方向为极大值Pmax所在轨迹点的方向。

优选的，信号光的抖动幅度在μrad量级，抖动频率包括但不限于500Hz。

优选的，所述快速反射镜的运动频率大于信号光的抖动频率。

经由上述的技术方案可知，本发明提供一种空间光通信的相干跟踪及视轴误差补偿系统，具体有益效果如下：

第一、系统结构简单，噪声引入较小，系统灵敏度较高；

第二、由于信号光在探测模块表面以点轨迹运动，对运动速度要求降低且信息处理简单，故对系统带宽要求不高，容易实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明空间光通信的相干跟踪及视轴误差补偿系统的结构框图；

图2附图为本发明光路单元结构示意图；

图3附图为本发明的的视轴误差补偿方法流程图；

图4附图为本发明信号光在相干探测模块表面的轨迹点图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明的空间光通信的相干跟踪及视轴误差补偿系统包括：光路单元1、探测单元2、信息处理与控制单元3。

接收到的信号光存在一定频率的随机抖动，为了补偿其随机抖动误差，使信号光通过光路单元1获得额外的一定规律的小幅度周期运动，并在探测单元2实现相干探测，利用信息处理与控制单元3计算出需要补偿的视轴误差角并使用光路单元1进行补偿。

信号光一般已经通过初步的准直，其抖动幅度在μrad量级，抖动频率包括但不限于500Hz。

光路单元1包括激光器和光学元件组件。具体组成元件参照图2。光路单元包括激光器11、快速反射镜12、合束镜13、聚焦透镜14。

探测单元2包括包括相干探测模块21、与相干探测模块21连接的低频放大器22。其中，根据不同通信信号的编码模式，相干探测模块21采用但不限于光电探测器或光电探测器与光混频器的组合；由于零差探测会产生较小的低频电流，所以利用低频放大器22对光电探测器的输出电流进一步放大。

信息处理与控制单元3包括与低频放大器22依次连接的信息处理模块31、伺服控制系统32。其中，信息处理模块31包括但不限于检波器、模数转换器、数字信号处理模块。其中检波器是为了检测信号的输出包络，利用模数转换器将模拟信号转化成数字信号以便处理。数字信号处理模块采用但不限于FPGA电路。伺服控制系统32主要接收经信息处理模块31处理得到的视轴误差补偿信息再控制快速反射镜12的周期运动进行补偿。

参照图2，信号光通过快速反射镜12上的镜片发生反射，同时伺服控制系统32控制快速反射镜12进行周期运动；激光器11发射本振激光，本振激光和信号光一起通过合束镜13；经过合束的合束光透过聚焦透镜14照射在相干探测模块21上；相干探测模块21输出的电流经过低频放大器22放大后传输至信息处理模块31；伺服控制系统32接收经信息处理模块31处理得到的视轴误差补偿信息再控制快速反射镜12进行补偿。

其中，激光器11采用单模激光器，选用但不限于半导体激光器，输出激光的功率为但不限于10MW。快速反射镜12采用但不限于压电陶瓷驱动，快速反射镜12的运动频率f_z大于信号光的抖动频率，可选为但不限于3kHz，且快速反射镜11的运动频率越高，系统灵敏度越高。合束镜13其尺寸可选用但不限于2mm。聚焦透镜14将光束聚焦在探测器光敏面中心，两者的水平距离为聚焦透镜14的焦距，焦距可选但不限于100mm。

参照图3，利用上述系统进行相干跟踪的视轴误差补偿方法，其实现步骤如下：

步骤1：光路调整

调整光路目的在于使信号光平行入射时可与本振激光汇聚在相干探测模块光敏面中心，具体步骤可采用但不限于以下步骤：

首先，调节激光器11使得本振激光输出，且落在相干探测模块21光敏面中心；

其次，使一束与本振激光同频率不同相位的稳定激光光束(标定激光)沿图示信号光的路径平行入射，调节光路，使快速反射镜12停在中心位置时，标定激光落在相干探测模块21中心；

调节伺服控制系统32，控制快速反射镜12的运动幅度，使得标定激光恒落在相干探测模块21光敏面上，可以利用信息处理模块31中示波器观测检波器的输出是否稳定来判断调节程度的优劣，调节光路使得示波器输出波形恒定，即完成光路调整步骤；

最后，取消标定激光，沿标定激光路径水平输入信号光。

步骤2：信息采集、处理与误差补偿

信号光在相干探测模块21光敏面上运动，在运动过程中与本振激光相干，从而实现零差探测。由于信号光自身存在抖动，所以其与本振激光的相干效率随位置发生改变，从而相干探测模块21的输出发生变化。

在不考虑系统噪声的情况下，相干探测模块21的输出电流I(t)可估算为：

包络功率信号为：

其中，R为探测模块中光电探测器的响应度，P_L为本振激光功率，P_S为信号激光功率，Δω为信号光与本振光的频率差，

为本振光与信号光的相位差，r_L为电路中的负载电阻，r为信号光在探测器表面的光斑半径，

为快速反射镜带来的偏离角度，α为信号光携带的抖动角度，

为探测器平面上t时刻无抖动时运动的信号光与探测模块表面中心点水平轴正向的夹角，θ_α为探测器平面上信号光随机抖动方向与水平轴的夹角。

通过信息处理与控制单元3获得相干探测模块21的输出信号包络，根据信号包络的变化规律，可求得信号光单位周期内在相干探测模块21表面运动轨迹不同点时相干探测模块21输出功率的极大值P_max与极小值P_min。

利用式：

其中，λ为信号光波长，J₁(x)为一阶贝塞尔函数，以α′估算信号光的视轴误差量，利用

估算应反馈补偿的视轴误差角度；快速反射镜12的角度补偿方向为极大值P_max所在轨迹点的方向。

其中，采用了递进式补偿思路，反馈补偿的视轴误差量小于实际的视轴误差，取不同信号光的视轴误差α与快速反射镜带来的额外偏离角度

通过仿真模拟，数据如下表1所示：

表1信号光视轴误差补偿仿真数据表(α、

的单位为μrad，n＝t·f_z)

由数据可得，反馈后的信号光视轴误差在不断减小，最后取得良好的补偿效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种空间光通信的相干跟踪及视轴误差补偿系统，其特征在于，包括光路单元(1)、探测单元(2)、信息处理与控制单元(3)；

所述光路单元包括激光器(11)、快速反射镜(12)、合束镜(13)、聚焦透镜(14)；

所述探测单元(2)包括相干探测模块(21)、与所述相干探测模块(21)连接的低频放大器(22)；

所述信息处理与控制单元(3)包括与所述低频放大器(22)依次连接的信息处理模块(31)、伺服控制系统(32)；

信号光通过所述快速反射镜(12)上的镜片发生反射，同时所述伺服控制系统(32)控制所述快速反射镜(12)进行周期运动；所述激光器(11)发射本振激光，本振激光和信号光一起通过合束镜(13)；经过合束的合束光透过所述聚焦透镜(14)照射在所述相干探测模块(21)上；所述相干探测模块(21)输出的电流经过所述低频放大器(22)放大后传输至所述信息处理模块(31)；所述伺服控制系统(32)接收经所述信息处理模块(31)处理得到的视轴误差补偿信息再控制所述快速反射镜(12)进行补偿；所述激光器(11)发射频率与信号光相等且相位稳定的本振激光，利用无抖动标定激光调配信号光入射光路，无抖动标定激光经所述快速反射镜(12)反射，利用所述合束镜(13)与本振激光聚焦在所述相干探测模块(21)的光敏面中心。

2.根据权利要求1所述空间光通信的相干跟踪及视轴误差补偿系统，其特征在于，相干跟踪及视轴误差补偿方法包括如下步骤：

1)调配信号光入射光路，调整所述快速反射镜(12)进行周期运动，使得无抖动标定激光平行于本振激光入射时按照固定轨迹在所述相干探测模块(21)的光敏面做周期运动；

2)信号光平行入射，受自身抖动影响，信号光在所述相干探测模块(21)的光敏面产生新的运动轨迹；

3)通过信息处理模块(31)获得所述相干探测模块(21)的输出信号包络，根据信号包络的变化规律，求得信号光单位周期内在轨迹不同点时所述相干探测模块(21)输出功率的极大值P_max与极小值P_min，进而估计信号光的视轴误差量；

4)将视轴误差量反馈给所述伺服控制系统(32)，调节快速反射镜(12)进行视轴误差补偿。

3.根据权利要求2所述空间光通信的相干跟踪及视轴误差补偿系统，其特征在于，采用递进式补偿思路，反馈补偿的视轴误差量小于实际的视轴误差，

利用式：

其中，r为信号光光斑半径，

为快速反射镜偏转移动给信号光造成的额外视轴误差角度，λ为信号光波长，J₁(x)为一阶贝塞尔函数，以α′估算信号光的视轴误差量，利用

估算应反馈补偿的视轴误差角度；

所述快速反射镜(12)的角度补偿方向为极大值P_max所在轨迹点的方向。

4.根据权利要求1所述空间光通信的相干跟踪及视轴误差补偿系统，其特征在于，信号光的抖动幅度在μrad量级，抖动频率包括但不限于500Hz。

5.根据权利要求1或4所述空间光通信的相干跟踪及视轴误差补偿系统，其特征在于，所述快速反射镜(12)的运动频率大于信号光的抖动频率。

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