CN111510222A - 无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置 - Google Patents

无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置 Download PDF

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CN111510222A CN202010220051.0A CN202010220051A CN111510222A CN 111510222 A CN111510222 A CN 111510222A CN 202010220051 A CN202010220051 A CN 202010220051A CN 111510222 A CN111510222 A CN 111510222A
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Abstract

无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置,解决了现有地面站发射到无人机的激光波前受到大气湍流的影响使得无人机上终端的光纤耦合效率降低，误码率上升的问题，属于激光通信技术领域。本发明安装在地面通信端，包括：波前探测器WFS探测无人机与地面激光通信下行链路激光信号的波前畸变；可变形镜DM补偿下行链路和上行链路的波前畸变；上位机根据探测到的波前畸变控制可变形镜，使光经过可变形镜具有的波前畸变与光经过大气湍流时产生的波前畸变相互抵消；上位机根据无人机的定位信息获得上行链路激光发射方向角度θ，超前跟踪镜ATM调整偏转角度为θ，使上行链路激光能够被下一时刻的无人机接收到。

Description

无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置
技术领域
本发明涉及激光通信技术领域，特别涉及一种无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置。
背景技术
在目前的通信技术中，光通信取代射频通信技术具有高数据率、高保密性、高容量的优势。现代无人机在执行测绘、巡检、安防、实时监控等任务时需要高数据率的通信，激光通信能够完全满足无人机通信的需求。在无人机与地面站激光通信链路中，由于受到大气湍流的影响产生波前像差、强度起伏、相位角和到达角起伏、光束漂移、光强散斑等现象，从而大气湍流引起激光通信终端CCD探测光斑产生畸变、光束漂移以及光强闪烁和散斑，从而引起CCD测角误差增大，严重影响了激光链路的快速捕获、稳定跟踪。并且在光纤耦合接收方式的激光通信终端中，信号光接收光路需要将空间光耦合到单模光纤中，信号光的波前畸变会严重影响信号光耦合到单模光纤的耦合效率，误码率上升，通信性能下降。
现有提高无人机与地面终端激光链路的捕获、跟踪以及提高通信性能和单模光纤的耦合效率的方法：利用自适应光学系统中的波前传感器探测信号光的畸变波前，然后通过自适应光学算法计算出大气湍流的相位补偿量，驱动自适应光学系统中的可变形镜对畸变的信号光波前补偿。自适应系统会增加终端的重量和复杂度，不适合安装在无人机终端上，只能安装在地面通信终端。使得现有技术存在的问题如下：无人机与地面通信链路之间只能在地面站补偿从无人机传来的信号光的波前畸变，提高下行链路的通信质量。但地面站发射到无人机的激光波前依旧受到大气湍流的影响使得无人机上终端的光纤耦合效率降低，误码率上升。
发明内容
针对现有地面站发射到无人机的激光波前受到大气湍流的影响使得无人机上终端的光纤耦合效率降低，误码率上升的问题，本发明提供一种无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置。
本发明的一种无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置，所述预补偿装置安装在地面通信端，所述预补偿装置包括可变型镜DM、波前探测器WFS、超前跟踪镜ATM和上位机；
波前探测器WFS，设置在无人机与地面激光通信下行链路中，用于探测无人机与地面激光通信下行链路激光信号的波前畸变；
可变形镜DM，设置在无人机与地面激光通信下行链路和上行链路中，用于补偿下行链路和上行链路的波前畸变；
上位机，与波前探测器WFS、可变形镜DM和超前跟踪镜ATM连接，用于根据波前探测器WFS探测到的波前畸变获取可变形镜的电压矩阵，并根据该电压矩阵控制可变形镜，使光经过可变形镜具有的波前畸变与光经过大气湍流时产生的波前畸变相互抵消；还用于根据无人机的定位信息获得上行链路激光发射方向角度θ，并发送至超前跟踪镜ATM，发射方向角度θ使上行链路激光能够被下一时刻的无人机接收到；
超前跟踪镜ATM，设置在无人机与地面激光通信上行链路中，用于接收发射方向角度θ，并调整偏转角度为θ。
作为优选，所述装置还包括反射镜M和倾斜镜TTM和三号分束镜；
无人机与地面之间的下行链路为：
望远镜接收到当前时刻无人机发射的下行激光，该下行激光经过反射镜M反射到倾斜镜TTM上，倾斜镜TTM用于补偿下行链路激光前倾斜；倾斜镜TTM反射的下行链路激光入射至可变型镜DM，可变型镜DM用于补偿下行链路光波前的畸变，经可变型镜DM反射的光入射至三号分束镜，经过三号分束镜后被反射到波前探测器WFS中，波前探测器WFS用于探测下行激光波前的畸变，并将畸变信息发送给上位机，上位机根据该畸变信息控制可变型镜DM补偿下行链路和上行链路的波前畸变；
无人机与地面之间的上行链路为：
上位机控制发射机T发射上行链路激光，上行激光经过扩束后入射在超前跟踪镜ATM，超前跟踪镜ATM用于调整发射方向角度θ使上行链路激光能够被下一时刻的无人机接收到，经过超前跟踪镜ATM反射的光经过三号分束镜入射至可变型镜DM，经过可变型镜DM反射的光入射至倾斜镜TTM，再经过反射镜M后入射至望远镜，望远镜扩束后经过大气照射到无人机激光通信终端。
作为优选，所述装置还包括二号分束镜和二号相机CCD2；
二号分束镜设置在倾斜镜TTM和可变型镜DM之间，
二号分束镜将倾斜镜TTM反射的下行链路激光分为两束，一束光进入二号相机CCD2，上位机根据二号相机CCD2检测到的信息确定下行链路的倾斜像差，并根据所述倾斜像差输出控制信号给倾斜镜TTM，调整倾斜镜TTM状态；二号分束镜分束的另一束光入射至可变型镜DM；
经过可变型镜DM反射的上行链路光经二号分束镜入射至倾斜镜TTM。
作为优选，根据二号相机CCD2的信息检测下行链路的倾斜像差的方法为：
Figure BDA0002425761540000031
其中，GX和GY为波前直角坐标系下x和y方向上的倾斜像差，
X和Y分别是CCD2上光斑质心与初始光斑质心之间位置的距离，
λ和f分别是激光波长和CCD前透镜焦距。
作为优选，所述装置还包括一号分束镜和一号相机CCD1；
一号分束镜设置在倾斜镜TTM和可变型镜DM之间；
经过可变型镜DM反射的上行链路光经一号分束镜分成两束，一束入射到一号相机CCD1中，上位机根据一号相机CCD1检测到的信息确定上行链路光光轴，并对上行链路光光轴与下行链路光光轴的对准，矫正ATM的初始状态，另一束光入射至倾斜镜TTM；
经过倾斜镜TTM反射的下行链路激光经一号分束镜入射至可变型镜DM。
作为优选，可变型镜DM上的第i个促动器的电压Vi与波前探测器WFS探测到的第j个子孔径处波前畸变G(j)之间的关系为：
Figure BDA0002425761540000032
其中，Rij是可变型镜DM上第i个促动器与波前探测器WFS的第j个子孔径之间固有的影响函数，t是波前探测器中子孔径的个数。
作为优选，角度θ为获取方法为：
Figure BDA0002425761540000033
v表示无人机的速度，α表示无人机与地面站之间的链路与无人机飞行方向的夹角α，c是光在真空中的速度，n是空气折射率。
本发明针对地面站到无人机的通信链路受到大气湍流影响的问题，提出了一种无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置，本发明安装在地面通信终端上，通过实时测量无人机到地面站通信中受到大气湍流影响的波前畸变，根据测量到的波前畸变使用可变形镜在地面站发射端对地面到无人机之间的上行链路通信激光波前畸变进行预补偿，并根据无人机的运行速度和运动方向实时超前跟踪无人机的位置，使无人机能够接收到从地面站发射的信号光。相比于没有采用预补偿的方法，采用预补偿的方法提升了无人机接收端光纤耦合效率，降低了误码率。本发明有效减轻了无人机与地面空间光通信上行链路受到大气湍流的影响。实现在发射端预补偿大气湍流引起的光波前畸变，解决了无人机上通信终端无法安装自适应装置而无法补偿上行链路光波前畸变的问题。在同等通信条件下，使用该装置后通信误码率降低。该装置同时具有结构简单，利于集成的优势，有助于地面站小型化发展，也方便研发可移动便携式地面终端。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明的具体实施例。
具体实施方式
本实施方式的无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置，安装在地面终端上，包括可变型镜DM、波前探测器WFS、超前跟踪镜ATM和上位机；
通过波前探测器WFS实时测量无人机到地面站通信中受到大气湍流影响的波前畸变，根据测量到的波前畸变使用可变形镜在地面站发射端对地面到无人机之间的上行链路通信激光波前畸变进行预补偿，并根据无人机的运行速度和运动方向利用超前跟踪镜ATM实时超前跟踪无人机的位置，使无人机能够接收到从地面站发射的信号光。相比于没有采用预补偿的方法，采用预补偿的方法提升了无人机接收端光纤耦合效率，降低了误码率。
本实施方式还包括反射镜M、倾斜镜TTM、三号分束镜；反射镜M、倾斜镜TTM、三号分束镜、可变型镜DM、波前探测器WFS、超前跟踪镜ATM组成一个完整的光路；
无人机与地面之间的下行链路为：
望远镜接收到当前时刻无人机发射的下行激光，该下行激光经过反射镜M反射到倾斜镜TTM上，倾斜镜TTM用于补偿下行链路激光前倾斜；倾斜镜TTM反射的下行链路激光入射至可变型镜DM，可变型镜DM用于补偿下行链路光波前的畸变，经可变型镜DM反射的光入射至三号分束镜，经过三号分束镜后被反射到波前探测器WFS中，波前探测器WFS用于探测下行激光波前的畸变，并将畸变信息发送给上位机，上位机根据该畸变信息控制可变型镜DM补偿下行链路和上行链路的波前畸变；
无人机与地面之间的上行链路为：
上位机控制发射机T发射上行链路激光，上行激光经过扩束后入射在超前跟踪镜ATM，超前跟踪镜ATM用于调整发射方向角度θ使上行链路激光能够被下一时刻的无人机接收到，经过超前跟踪镜ATM反射的光经过三号分束镜入射至可变型镜DM，经过可变型镜DM反射的光入射至倾斜镜TTM，再经过反射镜M后入射至望远镜，望远镜扩束后经过大气照射到无人机激光通信终端。
为了使光路传输效果更好，其中倾斜镜TTM的实时状态和超前跟踪镜ATM的初始状态均需要调整，本实施方式中借助二号分束镜和二号相机CCD2调整倾斜镜TTM状态；
二号分束镜设置在倾斜镜TTM和可变型镜DM之间，二号分束镜将倾斜镜TTM反射的下行链路激光分为两束，一束光进入二号相机CCD2，上位机根据二号相机CCD2检测到的信息确定下行链路的倾斜像差，并根据所述倾斜像差输出控制信号给倾斜镜TTM，调整倾斜镜TTM状态；二号分束镜分束的另一束光入射至可变型镜DM，经过可变型镜DM反射的上行链路光经二号分束镜入射至倾斜镜TTM。
本实施方式中借助一号分束镜和一号相机CCD1调整超前跟踪镜ATM的初始状态，一号分束镜设置在倾斜镜TTM和可变型镜DM之间；
经过可变型镜DM反射的上行链路光经一号分束镜分成两束，一束入射到一号相机CCD1中，上位机根据一号相机CCD1检测到的信息确定上行链路光光轴，并对上行链路光光轴与下行链路光光轴的对准，矫正ATM的初始状态，另一束光入射至倾斜镜TTM，经过倾斜镜TTM反射的下行链路激光经一号分束镜入射至可变型镜DM；
将上述特征整合成一个完整的光路，如图1所示，包括反射镜M、倾斜镜TTM、三个分束镜、可变型镜DM、超前跟踪镜ATM、两个相机(一号相机CCD1和二号相机CCD2)、波前探测器WFS、发送机T和上位机；反射镜M、倾斜镜TTM、三个分束镜(一号分束镜BS1、二号分束镜BS2和三号分束镜BS3)、可变型镜DM、超前跟踪镜ATM、波前探测器WFS和发送机T设置在上位机与望远镜之间的光路上；其中①代表下行链路的光束，②代表上行链路的光束。
本实施方式先测量无人机与地面之间下行链路激光受到大气湍流影响产生的波前畸变。无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置的下行链路光传播过程如图1中①箭头所示。望远镜接收到t0时刻无人机发射的激光光波，下行激光经过望远镜后光束直径变为2～3厘米。下行光沿着光路经过反射镜M反射到倾斜镜TTM上，用于补偿下行链路激光光波前倾斜。然后下行光经过一号分束镜BS1后进入二号分束镜BS2后被分成两束光，其中一束光进入二号相机CCD2，二号相机CCD2的信息用于检测下行链路的倾斜像差，上位机根据倾斜像差调整倾斜镜TTM状态。另一束光照射到可变型镜DM上，用于补偿下行链路光波前的畸变。然后，光经过三号分束镜BS3后被反射到波前探测器WFS中，波前探测器用于探测下行激光波前的畸变，畸变信息传递给上位机，上位机控制可变型镜DM补偿波前畸变；
本实施方式无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置的上行链路预补偿过程如图1中②箭头所示。上位机控制发射机T发射上行链路激光信号，上行激光首先经过扩束后照射在超前跟踪镜ATM上，ATM用于调整发射方向角度θ使上行链路激光能够被t1时刻的无人机接收到。经过超前跟踪镜反射的光经过三号分束镜BS3后照射到可变型镜DM上，三号分束镜BS3此处为合束的功能，可变型镜DM预补偿上行链路中遇到的大气湍流所产生的波前畸变。上行激光信号经过二号分束镜后照射到一号分束镜BS1上，光被分成了两个部分，一部分照射到一号相机CCD1中被用于检测上行链路光光轴与下行链路光光轴的对准，矫正ATM的初始状态，这一步骤只在装置开始运行时矫正一次。然后另一束光经过倾斜镜TTM和反射镜M后经过望远镜扩束后经过大气照射到无人机激光通信终端。
本实施方式中，二号相机CCD2采用公式(1)来计算下行链路的倾斜像差，其中GX和GY为波前直角坐标系下x和y方向上的倾斜像差，X和Y分别是CCD2上光斑质心与初始光斑质心之间位置的距离，λ和f分别是激光波长和CCD2前透镜焦距。
Figure BDA0002425761540000061
本实施方式中，可变型镜DM上第i个促动器的电压Vi与波前探测器WFS测量到的第j个子孔径处波前畸变G(j)之间的关系用公式(2)表示。其中Rij是可变型镜上第i个促动器与波前探测器的第j个子孔径之间固有的影响函数，t是波前探测器中子孔径的个数。
Figure BDA0002425761540000062
本实施方式中，根据无人机的速度v、方向以及无人机与地面站之间的链路与无人机飞行方向的夹角α根据公式(3)计算出发射方向角度θ，调整ATM镜偏转θ度。其中c是光在真空中的速度，n是空气折射率。
Figure BDA0002425761540000063
具体实施例：
本实施例给出无人机与地面激光通信上行链路大气湍流快速预补偿装置的光路图如图2所示。
一、硬件包括：
望远镜：定制一个60cm口径的卡塞格林望远镜。
M1，M2：选用美国Thorlabs公司的BB03-E04型号的反射镜。
f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7,f8,f9：选用美国Thorlabs公司的双凸透镜，紫外熔融石英，增透膜：1050-1700nm，焦距长度分别是500mm，200mm，150mm，100mm，200mm，20mm，170mm，30mm。
TTM：选用PI公司的S-334倾斜镜，0.2微弧度的分辨率，最大100毫弧度的偏转，毫秒级的相应时间。
BS3：选用美国Thorlabs公司的BS018型号的50:50非偏振分束镜。
BS1，BS2：选用美国Thorlabs公司的BSW30型号的平板分束镜。
EP：选用大恒光电公司的GCM-57系列的光阑。
CCD1，CCD2：选用大恒光电公司的BV-C3105CL型短波红外相机。
C：光纤准直器，选用上海丰天信息技术有限公司的PCM-08-830-MM-3-4-FC/PC型光纤准直器，产品外径8mm，光斑直径4mm。
ATM：超前跟踪镜，选用上海昊量光电的AU-XPS型号的偏转镜。
WFS：波前传感器，选用ALPAO公司的OCAM2-1500-DDS-N-N-WFS型号的高速波前探测装置。相机像素数量240×240，像素间距24微米，帧数1500Hz。透镜阵列数量20×20，透镜形状是方形。
DM：可变形镜，选用ALPAO公司的DM241-25型号的可变形镜，孔径直径37.5mm，制动器数量241个，反射镜最佳平整度7nm，工作带宽大于1200Hz。
二、按照图2的方式将上述硬件搭建成光路；
三、工作过程如下：
1)本实施例使用系统中的波前探测器探测下行链路激光信号的波前畸变。
2)根据测量到的波前畸变计算出可变形镜DM需要的电压矩阵V，控制可变形镜补偿下行链路中激光信号的波前畸变。
3)根据无人机的速度v、方向以及无人机与地面站之间的链路与无人机飞行方向的夹角α计算出超前跟踪角度θ，调整ATM镜偏转θ度。
4)从发射机发出的上行链路的光经过超前跟踪镜ATM使上行链路偏转θ角度照射到无人机上的激光通信终端。上行链路的光经过可变型镜DM后具有波前畸变与光经过大气湍流时产生的波前畸变相互抵消。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.一种无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置，其特征在于，所述预补偿装置安装在地面通信端，所述预补偿装置包括可变型镜DM、波前探测器WFS、超前跟踪镜ATM和上位机；
波前探测器WFS，设置在无人机与地面激光通信下行链路中，用于探测无人机与地面激光通信下行链路激光信号的波前畸变；
可变形镜DM，设置在无人机与地面激光通信下行链路和上行链路中，用于补偿下行链路和上行链路的波前畸变；
上位机，与波前探测器WFS、可变形镜DM和超前跟踪镜ATM连接，用于根据波前探测器WFS探测到的波前畸变获取可变形镜的电压矩阵，并根据该电压矩阵控制可变形镜，使光经过可变形镜具有的波前畸变与光经过大气湍流时产生的波前畸变相互抵消；还用于根据无人机的定位信息获得上行链路激光发射方向角度θ，并发送至超前跟踪镜ATM，发射方向角度θ使上行链路激光能够被下一时刻的无人机接收到；
超前跟踪镜ATM，设置在无人机与地面激光通信上行链路中，用于接收发射方向角度θ，并调整偏转角度为θ。
2.根据权利要求1所述的无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置，其特征在于，所述装置还包括反射镜M和倾斜镜TTM和三号分束镜；
无人机与地面之间的下行链路为：
望远镜接收到当前时刻无人机发射的下行激光，该下行激光经过反射镜M反射到倾斜镜TTM上，倾斜镜TTM用于补偿下行链路激光前倾斜；倾斜镜TTM反射的下行链路激光入射至可变型镜DM，可变型镜DM用于补偿下行链路光波前的畸变，经可变型镜DM反射的光入射至三号分束镜，经过三号分束镜后被反射到波前探测器WFS中，波前探测器WFS用于探测下行激光波前的畸变，并将畸变信息发送给上位机，上位机根据该畸变信息控制可变型镜DM补偿下行链路和上行链路的波前畸变；
无人机与地面之间的上行链路为：
上位机控制发射机T发射上行链路激光，上行激光经过扩束后入射在超前跟踪镜ATM，超前跟踪镜ATM用于调整发射方向角度θ使上行链路激光能够被下一时刻的无人机接收到，经过超前跟踪镜ATM反射的光经过三号分束镜入射至可变型镜DM，经过可变型镜DM反射的光入射至倾斜镜TTM，再经过反射镜M后入射至望远镜，望远镜扩束后经过大气照射到无人机激光通信终端。
3.根据权利要求2所述的无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置，其特征在于，所述装置还包括二号分束镜和二号相机CCD2；
二号分束镜设置在倾斜镜TTM和可变型镜DM之间，
二号分束镜将倾斜镜TTM反射的下行链路激光分为两束，一束光进入二号相机CCD2，上位机根据二号相机CCD2检测到的信息确定下行链路的倾斜像差，并根据所述倾斜像差输出控制信号给倾斜镜TTM，调整倾斜镜TTM状态；二号分束镜分束的另一束光入射至可变型镜DM；
经过可变型镜DM反射的上行链路光经二号分束镜入射至倾斜镜TTM。
4.根据权利要求1所述的无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置，其特征在于，根据二号相机CCD2的信息检测下行链路的倾斜像差的方法为：
Figure FDA0002425761530000021
其中，GX和GY为波前直角坐标系下x和y方向上的倾斜像差，
X和Y分别是CCD2上光斑质心与初始光斑质心之间位置的距离，
λ和f分别是激光波长和CCD前透镜焦距。
5.根据权利要求2所述的无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置，其特征在于，所述装置还包括一号分束镜和一号相机CCD1；
一号分束镜设置在倾斜镜TTM和可变型镜DM之间；
经过可变型镜DM反射的上行链路光经一号分束镜分成两束，一束入射到一号相机CCD1中，上位机根据一号相机CCD1检测到的信息确定上行链路光光轴，并对上行链路光光轴与下行链路光光轴的对准，矫正ATM的初始状态，另一束光入射至倾斜镜TTM；
经过倾斜镜TTM反射的下行链路激光经一号分束镜入射至可变型镜DM。
6.根据权利要求1所述的无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置，其特征在于，可变型镜DM上的第i个促动器的电压Vi与波前探测器WFS探测到的第j个子孔径处波前畸变G(j)之间的关系为：
Figure FDA0002425761530000022
其中，Rij是可变型镜DM上第i个促动器与波前探测器WFS的第j个子孔径之间固有的影响函数，t是波前探测器中子孔径的个数。
7.根据权利要求1所述的无人机与地面激光通信的大气湍流预补偿装置，其特征在于，角度θ为获取方法为：
Figure FDA0002425761530000031
v表示无人机的速度，α表示无人机与地面站之间的链路与无人机飞行方向的夹角α，c是光在真空中的速度，n是空气折射率。
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