CN113794512B - 一种基于本振光章动的信号光波前补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于本振光章动的信号光波前补偿方法，包括：本振光章动：利用快速反射镜为本振光提供微弧度量级的轴向偏转角，使得本振光做锥形运动；波前斜率矩阵估计：将章动的本振光与信号光在透镜阵列表面干涉，利用微透镜阵列将混频光分成若干子区域，然后入射至探测器阵列上，根据输出的混合信号强度变化规律估计波前斜率；波前补偿：利用Zernike多项式重构波前信号，利用波前补偿器补偿信号光波前。本发明具有良好的背景光补偿和波前恢复能力，适用于阳光直射下的相干光通信。

Description

一种基于本振光章动的信号光波前补偿方法

技术领域

本发明属于相干光通信技术领域，更具体的说是设计一种基于本振光章动的信号光波前补偿方法。

背景技术

自由空间相干光通信是未来光通信的主要形式，与视距无线电通信相比，具有更高的传输速率和更好的保密性。大气湍流会引起信号相位波动、大气闪烁、漂移和波束展宽，严重影响通信系统的性能。相位波动会使光通信下行链路中的激光信号波前发生畸变，显著降低光束相干性，严重影响光通信性能。

波前补偿技术可以实时补偿大气湍流造成的波前损失，可以进行高精度波前校正，恢复通信系统的性能。波前补偿技术包括不基于波前传感器的检测系统。然而，没有波前传感器的探测器的波前恢复过程稳定性差，速度相对较慢。因此，基于传感器的波前检测技术被广泛使用。Shack-Hartmann波前传感器(SHWFS)由于其结构简单而被广泛使用。SHWFS由将入射光束波前分成几个子孔径的微透镜阵列(MLA)、放置在图像平面中的电荷耦合器件(CCD)检测器和每个孔径的成像单元组成。稳定波前的光束会聚在成像单元的中心。然而，对于倾斜的波前，光束的焦点会发生偏移。

由于CCD检测器接收信号光强度信息，因此容易受到背景光的干扰。光通信的波长通常选择为1550nm，因此接收端的辐射率约等于太阳辐射率。当接收天线孔径为1.5m，光学系统带宽为±2nm时，在阳光直射下，计算出通信视场中的太阳能功率为-26.6dBm。在星地激光链路中，由于长距离传输损耗和大气湍流，通信终端接收到的信标或信号光功率在-50dBm左右。

由于直射阳光是一种广谱光源，大气湍流引起的光束波前畸变与频率有关，因此太阳光斑发散得更多，强度也比信号光斑高，从而引入了偏移距离，导致更大的误差和实现波前恢复的额外困难。当背景光强时，可使用遮光罩和较窄的滤光片来隔离散射光，滤除无关频率的光，以减少强烈阳光的影响。但是，在阳光直射的情况下，接收到的阳光强度远高于信号光，因此上述方案无法解决阳光干扰的问题。

因此，如何设计一种在日光直射环境下的信号光波前补偿技术是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于本振光章动的信号光波前补偿方法，在信号光和章动本地振荡光通过微透镜阵列入射到探测器阵列区域，根据输出功率的变化规律估计信号光的波前。使用泽尼克多项式重建波前斜率，然后补偿波前信息。使用这种相干检测方法可以最大限度地减少直射阳光和其他杂散光对波前检测的影响，保障波前补偿在日光直射环境下的正常实施探测器阵列具有比CCD更高的响应带宽，保证了阳光下高速光通信的顺利进行。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于本振光章动的信号光波前补偿方法，包括如下步骤：

基于快速反射镜将本振光进行微弧度量级的轴向偏转角，使本振光做锥形运动；

基于信号光与章动的本振光进行信号光波前斜率估计；

利用Zernike多项式重构波前信号，利用波前补偿器补偿信号光波前。

优选的，基于信号光与章动的本振光进行信号光波前斜率估计，包括如下步骤：

章动的本振光与信号光在透镜阵列表面干涉，微透镜阵列将混频光分成若干子区域并入射至探测器阵列上；

根据探测器阵列输出的混频信号强度变化规律估计信号光波前斜率。

优选的，混频信号的输出电流可以表示为：

其中α为探测器响应系数，E_S为信号光振幅，E_LO为本振光振幅，

为探测器表面的信号光畸变波前相位分布，θ_l，h探测器表面的本振光波前相位分布；

由于信号光波前具有相位畸变，在本振光章动过程中θ_l，h会发生规律变化，导致输出电流值I的改变，由此估计信号光波前斜率。

优选的，信号光波前相位

由Zernike多项式表示为：

其中l为用于重建的模式数，a_k是k阶泽尼克多项式的系数，Z_k(x，y)是k阶泽尼克多项式。

优选的，信号光波前斜率估计矩阵为：

G＝ZA

其中，G表示信号光波前斜率估计矩阵，A和Z分别表示Zernike多项式的系数A和重构矩阵。

优选的，还包括利用接收望远镜接收星地下行链路光通信信号。

本发明的有益效果在于：

1、本发明利用相干体制进行波前恢复，可以不受强日光背景干扰，保障波前畸变补偿技术的正常实施；

2、本发明利用本振光章动获得波前斜率矩阵，与传统SHWFS传感器相比，具有更高的补偿精度；

3、本发明利用探测器阵列获得波前斜率，具有更高的波前补偿响应速度。

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附图为本发明的原理框图。

图2附图为本发明中章动的本振光与信号光干涉的说明图,θ为信号光波前倾斜角度，

为本振光波前倾斜角度。

图3附图为本发明中单探测器单元的电流信号输出与本振光旋转角度的关系图，横坐标为本振光投影在探测器表面的矢量与x轴夹角的大小，纵坐标为探测器输出的归一化电流强度。

图4附图为本发明中单探测器单元的电流信号输出值的极值比与信号光波前倾斜角度的关系图，横坐标为信号光波前倾斜角度，纵坐标为本振光章动一周后，输出电流强度的极大值与极小值的比值。

图5附图为本发明仿真说明中的日光与地面光通信终端的位置示意图。

图6附图为本发明仿真说明中对不同太阳光入射角下波前斜率估计的残差，横坐标为日光入射至通信终端的角度，纵坐标为无波前补偿以及SHWFS与本发明(CWFS)两种波前补偿技术对信号光波前斜率补偿残差(归一化)。

图7附图为本发明仿真说明中对不同大气湍流强度下波前畸变的补偿残差，横坐标为大气湍流强度，纵坐标为SHWFS与本发明(CWFS)两种波前补偿技术对信号光波前补偿的残差。

图8附图为本发明仿真说明中光通信系统在不同大气湍流强度下的相干效率，横坐标为大气湍流强度，纵坐标为无波前补偿以及利用SHWFS与本发明(CWFS)两种波前补偿技术后光通信系统的混频效率。

其中，1、接收望远镜，2、波前补偿器，3、快速反射镜，4、本振激光器，5、微透镜阵列，6、探测器阵列。

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。

请参阅附图1-4，本发明提供了一种基于本振光章动的信号光波前补偿方法，包括如下步骤：

(1)利用接收望远镜1接收星地下行链路光通信信号，获得信号光；

(2)本振激光器4发出本振光，并利用快速反射镜3将本振光进行微弧度量级的轴向偏转角，使得本振光做锥形运动；

(3)将章动的本振光与信号光在微透镜阵列5表面干涉，微透镜阵列将信号光与本振光干涉后的混频光束分割成若干子区域，然后入射至探测器阵列6上，防止混频光束入射至探测器阵列的间隙中，从而造成混频信号损失)；微透镜阵列5设置在探测器阵列6前边；

(4)根据探测器阵列6输出的混频信号强度变化规律估计信号光波前斜率矩阵；

混频信号的输出电流可以表示为：

其中a为探测器响应系数，E_S为信号光振幅，E_LO为本振光振幅，

为探测器表面的信号光畸变波前相位分布，θ_l，h探测器表面的本振光波前相位分布。大气湍流的扰动频率约为100Hz。当章动频率远大于扰动频率时，波前畸变的变化量可以视为不变。k2和k1分别是本振光和信号光波前斜率在探测器平面上的投影矢量。附图3说明了k1与k2之间的夹角与输出电流(归一化)之间的关系。

如附图3所示，当两个向量的夹角为0°时，即两个向量的方向相同时，输出最大，当两个向量的方向相反时，输出是最小的。当信号光波前的斜率不同时，最大值和最小值会发生变化。由于本振光的运动是已知的，通过确定最大输出信号的时间，可以确定本振光投射k2的方向和信号光波前斜率k1的方向。

当k1和k2方向相同或相反时，附图4给出了本振光在圆周章动时输出信号的最大值和最小值的比值与波前倾角的关系。当波前倾斜投影向量k1的方向确定后，输出信号的最大值与最小值之比v与波前倾斜角β呈单调关系。当比率v已知时，就可以得到倾斜角，并且随着倾斜方向，可以用来估计波前倾斜。假设投影向量k1与x轴正方向的夹角为α，则用于波前恢复的斜率矩阵G可表示为：

其中1＜i＜m，m为探测器阵列的数量。

(5)波前补偿：利用Zernike多项式重构波前信号，利用波前补偿器补偿信号光波前。

通过大气湍流后的波前相位可扩展为Zernike多项式的正交组合：

其中1是用于重建的模式数，a_k是k阶泽尼克多项式的系数，Z_k(x，y)是k阶泽尼克多项式。波前斜率矩阵G可以用Zernike多项式的系数A和重构矩阵Z表示为：

G＝ZA

求得上述波前斜率矩阵后，可以通过奇异值分解的方法得到系数A，进而对大气湍流引起的畸变后的波前进行重建。

本发明利用相干体制进行波前恢复，可以不受强日光背景干扰，保障波前畸变补偿技术的正常实施；本发明利用本振光章动获得波前斜率矩阵，与传统SHWFS传感器相比，具有更高的补偿精度；本发明利用探测器阵列获得波前斜率，具有更高的波前补偿响应速度。本发明具有良好的背景光补偿和波前恢复能力，适用于阳光直射下的相干光通信。

下面结合仿真实验对本发明的效果作进一步说明。

1、仿真实验条件：

为验证所设计系统在强太阳光背景下的探测性能，搭建了星地相干光通信系统。光通信波长为1550nm，调制方式为二进制相移键控(BPSK)，传输速率为10Gbps。采用SHWFS和相干检测方法补偿波前畸变，空间分辨率为20x20。滤波器带宽±2nm，通信端采用平衡检测方式，采用Costas锁相环减小本振光与信号光的频差。不考虑激光线宽和器件噪声。地面光通信终端接收到的阳光直射强度为-26.6dBm，接收信号光强度为-50dBm。本机振荡器的倾斜角为5μrad。

为了更好地分析所设计系统在阳光直射下的畸变波前恢复性能，大气湍流采用65阶Zernike模式，在Kolmogorov湍流模型下生成随机相位屏，采用25阶Zernike模式用于波前重建。强背景光仅包括阳光直射条件，不包括其他杂散光噪声。

2、仿真实验内容及结果分析：

(2a)信号光波前斜率估计

太阳直径为1.39×106公里，太阳与地球的距离为1.46×108公里，光通信系统波前探测视场为3mrad，通信视场为20μrad。阳光直射示意图如附图5所示，当通信终端的接收光轴与太阳与卫星连接的角度为0°～0.186°时，阳光会充满接收视场。当角度从0.186°增加到0.358°时，太阳辐射角与视角接收场的重叠面积逐渐减小到零。附图6给出了当太阳光和接收望远镜光轴之间的角度从0°增加到0.5°时，检测单元计算的波前斜率估计的剩余误差。

对于SHWFS，当直射阳光的角度β为0°-0.186°时，阳光充满接收视场。在这种情况下，接收到的太阳光强度较高且稳定，波前估计精度较差，估计残差可达0.704。当角度β为0.186°～0.358°时，接收到的太阳光强度逐渐减小，波前估计精度提高，估计残差减小。当角度大于0.358°时，太阳光无法直接进入接收视场，波前估计的精度约为0.01。

对于相干波前传感器CWFS，虽然可以在接收端滤除太阳光的广谱噪声，但仍有少量噪声残留，尤其是当太阳光充满光场时。在这种情况下，波前估计残差约为0.02，当太阳光无法进入接收视场时，波前估计精度提高到0.008，略优于SHWFS检测方法。总体而言，CWFS受阳光影响较小，检测精度较高。

(2b)不同大气湍流强度下的波前补偿效果

信号光波前的畸变程度随大气湍流强度的变化而变化，影响补偿效果。波前的均方根(RMS)通常用于描述波前失真。RMS越小，波前畸变越轻。大气湍流的大小由D/r0计算，其中D是接收孔的直径，r0是大气相干长度。在相干光通信系统中，接收孔径通常小于1m。当D/r0<2时认为湍流较弱；如果2<D/r0<10，则为中等，当D/r0>10时为强。

在阳光直射的情况下，SHWFS的补偿残差和波前畸变的相干波前检测方法如附图7所示。

CWFS的波前补偿残差小于SHWFS，说明CWFS的补偿效果更好。随着湍流变强，RMS逐渐增大，波前质量显着下降。使用波前补偿时，与SHWFS相比，波前的RMS显着降低，尤其是在强湍流下。当D/r0＝15时，RMS降低到原始值的1/2。当湍流较小时，RMS可降低到其原始值的1/4。但是，当湍流变强时，波前RMS增大，说明强湍流影响补偿效果。

(2c)不同大气湍流强度下的混频效率

在光通信系统中，接收光束的质量通常用混合效率来衡量。为了实现波前检测，将本地振荡器光输出整形为平面光波。在远距离，信号光变成平面光。在聚焦透镜不变的情况下，探测器表面和MLA之前的混合效率γ可以表示为

附图8显示了不同湍流强度下混合效率的变化。波前补偿后的CWFS混合效率高于SHWFS。湍流越强，信号光质量越差，这会降低光通信接收器的混合效率。随着湍流的增加，补偿后的混合效率呈下降趋势，说明强湍流也会影响SHWFS补偿后的混合效率。相比之下，即使D/r0＝15，CWFS补偿后的混合效率仍然高达0.941，说明本发明可以有效提升光通信系统的混频性能。

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)

1.一种基于本振光章动的信号光波前补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

基于快速反射镜将本振光进行微弧度量级的轴向偏转，使本振光做锥形运动；

基于信号光与章动的本振光进行信号光波前斜率估计；

利用Zernike多项式重构波前信号，利用波前补偿器补偿信号光波前；

基于信号光与章动的本振光进行信号光波前斜率估计，包括如下步骤：

章动的本振光与信号光在透镜阵列表面干涉，微透镜阵列将混频光分成若干子区域并入射至探测器阵列上；

根据探测器阵列输出的混频信号强度变化规律估计信号光波前斜率。

2.根据权利要求1所述的一种基于本振光章动的信号光波前补偿方法，其特征在于，混频信号的输出电流可以表示为：

其中α为探测器响应系数，E_S为信号光振幅，E_LO为本振光振幅，

为探测器表面的信号光畸变波前相位分布，θ_l，h探测器表面的本振光波前相位分布；

由于信号光波前具有相位畸变，在本振光章动过程中θ_l，h会发生规律变化，导致输出电流值I的改变，由此估计信号光波前斜率。

3.根据权利要求1所述的一种基于本振光章动的信号光波前补偿方法，其特征在于，信号光波前相位

由Zernike多项式表示为：

其中l为用于重建的模式数，a_k是k阶泽尼克多项式的系数，Z_k(x，y)是k阶泽尼克多项式。

4.根据权利要求3所述的一种基于本振光章动的信号光波前补偿方法，其特征在于，信号光波前斜率估计矩阵为：

G＝ZA

其中，G表示信号光波前斜率估计矩阵，A和Z分别表示Zernike多项式的系数A和重构矩阵。

5.根据权利要求1所述的一种基于本振光章动的信号光波前补偿方法，其特征在于，还包括基于接收望远镜接收星地下行链路光通信信号。

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