DE19512966C2 - Verfahren zum Gewinnen von Fehlersignalen für eine räumliche Strahlregelung eines optischen Überlagerungsempfängers und Einrichtung zu dessen Durchführung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Gewinnen von Feh­ lersignalen für eine räumliche Strahlregelung eines optischen Überlagerungsempfängers und umfaßt auch eine Einrichtung zu dessen Durchführung.

Informationsübertragung mittels Licht ist im Weltraum eine in­ teressante Alternative gegenüber Mikrowellen-Verbindungen, da mit der Erhöhung der Trägerfrequenz eine bessere Strahlbünde­ lung und damit ein wesentlich größerer Antennengewinn verbun­ den ist. Dieser Vorteil kann dazu ausgenutzt werden, die An­ tennen zu verkleinern, die Sendeleistung zu verringern oder die Datenrate zu erhöhen. Dadurch können das Gewicht und der Energieverbrauch, beides Kriterien, welche für Satellitensy­ steme wichtig sind, reduziert werden.

In der optischen Kommunikation bieten sich sowohl der unkom­ plizierte, aber gegenüber Hintergrundlicht anfällige Direkt­ empfang als auch der höchstempfindliche und deshalb für Welt­ raumanwendungen besonders geeignete Überlagerungsempfang an. Der Empfindlichkeitsgewinn bei Überlagerungsempfang gegenüber Direktempfang hat jedoch eine erheblich aufwendigere Realisie­ rung zur Folge und stellt außerdem höhere Anforderungen an die verwendeten Komponenten.

Mit dem hohen Antennengewinn optischer Antennen bzw. Teleskope ist ein sehr kleiner Divergenzwinkel verbunden, weshalb eine sehr genaue Ausrichtung der Antennen zueinander notwendig ist. Die Strahlregelungssysteme müssen dabei in der Lage sein, trotz systematischer und stochastischer Bewegungen der Satel­ liten eine unterbrechungsfreie Verbindung zu ermöglichen.

Wie bei Wittig, M. et al. "In Orbit-Measurement of Microaccelerations of ESA's Communication Satellite OLYMPUS", SPIE Proceedings, Vol. 1218 (1990), S. 205-213 beschrieben, können die stochastischen Bewegungen für einen Satelliten als zwei voneinander unabhängige gaußverteilte Winkelschwankungen modelliert werden, die ein im folgenden wiedergegebenes Lei­ stungsdichtespektrum S_ϕ haben:

wobei mit f die Frequenz der Winkelschwankungen bezeichnet ist.

Ein Teil dieser Winkelschwankungen kann durch ein Strahlrege­ lungssystem ausgeregelt werden, und es wird eine Standardab­ weichung eines unkompensierten Fehlersignals jeder Komponente erhalten (siehe Hayden, W. et al., "Wide-band precision two­ axis beam steerer tracking servo design and test results", SPIE Proceedings, Vol. 1866, S. 271-279 (1993),):

wobei mit σ_{ϕ x,Rest}, σ_ϕy,Rest die Standardabweichung des unkompen­ sierten Fehlersignals der beiden Komponenten und mit G(f) die Störsignal-Übertragungsfunktion des Strahlregelungssystems be­ zeichnet sind. Die unkompensierten Winkelschwankungen hängen mit einem Schwanken der detektierten Leistung zusammen und führen zu einer Erhöhung der Fehlerwahrscheinlichkeit des Kom­ munikationssystems.

In vielen Fällen kann die Störsignal-Übertragungsfunktion nä­ herungsweise als Hochpaß erster Ordnung mit einer Grenzfre­ quenz fg beschrieben werden:

Die Winkelschwankungen werden also um so besser unterdrückt, je höher die Bandbreite des Strahlregelungssystems ist.

Ein zentrales Problem bei der Strahlregelung besteht jedoch darin, ein für eine breitbandige Regelung geeignetes, rausch­ armes Fehlersignal zu gewinnen.

Zur Gewinnung eines Fehlersignals bei optischen Überlagerungs­ systemen werden üblicherweise folgende Konzepte unterschieden. Bei einer Gewinnung eines Fehlersignals mittels Direktempfang wird das empfangene Licht mittels eines Strahlteilers, bei­ spielsweise halbdurchlässiger Spiegel, in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Hierbei wird ein Anteil gewöhnlich in eine Glasfa­ ser eingekoppelt, in einem Faserkoppler mit dem Licht des lo­ kalen Lasers überlagert und dem kohärenten Empfänger des Kom­ munikationssystems zugeführt.

Ein zweiter Teil wird einem Positionsdetektor, einer CCD-Kame­ ra oder einer sogenannten 4-Quadranten-Photodiode zugeführt und es wird ein Fehlersignal erzeugt. Dabei ist auch eine Kom­ bination verschiedener Detektoren möglich. Die Aufteilung des Strahls in zwei Anteile kann entfallen, falls im Sender außer dem Kommunikationslaser ein zusätzlicher Laser anderer Wellen­ länge (BEACON) für die Strahlregelung verwendet wird.

Die Gewinnung eines Fehlersignals mittels Direktempfangs ist jedoch problematisch, wenn vom Empfangsteleskop auch Hinter­ grundlicht eingefangen wird. In diesem Fall ist das Signal- Rausch-Verhältnis des Fehlersignals und damit auch die Störun­ terdrückung schlecht. Der für die Strahlregelung gegebenen­ falls abgespaltene Anteil des Empfangslichtes steht dem Kommu­ nikationszweig nicht zur Verfügung. Dadurch erhöht sich die für eine bestimmte Fehlerwahrscheinlichkeit notwendige Sende­ leistung.

Ferner muß die Justierung der Detektoren des Strahlregelungs­ systems gegenüber dem Kommunikationssystem höchsten Anforde­ rungen genügen. Die erreichbare Bandbreite der Störunter­ drückung ist wegen hoher Signalverarbeitungszeiten im Falle von CCD-Kameras oder wegen des schlechten Signal-Rausch-Ver­ hältnisses aufgrund von Hintergrundlicht in der Regel deutlich kleiner als 1 kHz.

Bei dem sogenannten Nutator-Prinzip wird die Richtcharakteri­ stik eines Empfangsteleskops periodisch, beispielsweise durch eine kreisförmige Bewegung der Glasfaser des Empfängers verän­ dert. Alternativ hierzu kann der Empfangsstrahl mittels beweg­ licher Linsen, Spiegel oder auch akusto-optisch bzw. elektro­ optisch abgelenkt werden.

Falls das Empfangsteleskop hierbei nicht optimal ausgerichtet ist, schwankt die vom Empfänger detektierte Lichtleistung. Durch geeignete Demodulation dieser detektierten Leistung kann ein Fehlersignal für die Strahlregelung erzeugt werden. Zur Akquisition des Empfangsstrahls wird auch hier zusätzlich eine CCD-Kamera verwendet.

Nachteilig bei dem vorstehend kurz skizzierten Nutator-Prinzip ist, daß bei diesem Verfahren die maximal erreichbare Band­ breite der Störunterdrückung etwa ein Zehntel der Frequenz der dem Empfangsstrahl überlagerten Kreisbewegung ist. Die Dreh­ frequenz muß hierbei für optische Satelliten-Kommunikation üblicherweise größer als 10 kHz sein und stellt im Falle einer mechanischen Ablenkung des Empfangsstrahls bzw. der Glasfaser des Empfängers höchste Anforderungen an die verwendeten Kompo­ nenten. Daher erscheint die Verwendung solcher Komponenten im Weltraum kritisch. Dieser Nachteil ist beispielsweise bei einer elektro-optischen bzw. akusto-optischen Strahlablenkung vermieden, wobei diese jedoch mit teilweise erheblichen opti­ schen Verlusten verbunden ist.

Die Gewinnung des Fehlersignals für räumliche Strahlregelung erfolgt dabei mittels synchroner Demodulation der detektierten optischen Leistung. Hierbei muß beispielsweise die von der Temperatur abhängige Phasenverschiebung der an der Strahlrege­ lung beteiligten Komponenten berücksichtigt und gegebenenfalls ausgeregelt werden. Ein in der Praxis unvermeidbarer Restfeh­ ler führt hierbei ebenso wie die Kreisbewegung der Empfangs­ charakteristik um ihr Maximum zu einem systematischen Verlust an Empfindlichkeit.

Aus der EP 642 236 A2 ist ein Ver­ fahren zum Gewinnen von Fehlersignalen für eine räumliche Strahlregelgung eines optischen Überlagerungsempfängers be­ kannt, bei welchem eine Anordnung von Silizium-Photodioden zum kohärenten Empfangen eines Datensignals und zum direkten Emp­ fangen von Fehlersignalen benutzt wird.

Ferner ist aus der US 5 030 004 ein Verfahren zum Gewinnen von Fehlersignalen für eine räumliche Strahlregelung eines opti­ schen Überlagerungsempfängers bekannt, bei welchem das Licht eines lokalen Lasers mit Empfangslicht mit Hilfe eines dichroi­ tischen Spiegels überlagert wird. Da bei Verwenden eines sol­ chen Spiegels prinzipiell nur ein Teil sowohl des lokalen La­ serlichtes als auch des empfangenen Lichtes zu einem nachge­ ordneten Detektor gelangt, ist diese Art der Überlagerung von Laserlicht und Empfangslicht mit einem deutlichen Verlust an Empfindlichkeit, die üblicherweise in der Größenordnung 3 dB liegt, und/oder mit einem vergleichsweise hohen Bedarf an op­ tischer Leistung seitens des lokalen Lasers verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Vermeidung der sy­ stematischen Verluste Fehlersignale für eine räumliche Strahlregelung eines optischen Überlagerungsempfängers und gleichzeitig ein Datensignal mit einem guten Signal-Rausch- Verhältnis zu erhalten. Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 oder der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 2 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird das mit einer optischen Einrichtung aufbereitete Empfangslicht mit dem Licht eines lo­ kalen Lasers im freien Raum überlagert, und das sich ergebende Überlagerungssignal wird mit einer Anzahl Photodioden detek­ tiert. Anschließend wird durch eine zweckmäßige Addition bzw. Subtraktion der Photodiodenströme sowohl ein Fehlersignal für die Strahlregelung als auch das beliebig modulierte Daten­ signal gewonnen. Hierbei ist die Form sowie die Ausrichtung der einzelnen Photodioden so gewählt, daß einerseits bereits bei einer kleinen Abweichung des Empfangsstrahls von dessen optimaler Lage ein deutliches Fehlersignal entsteht und ande­ rerseits das Datensignal ein möglichst großes Signal-Rausch- Verhältnis aufweist. Hierzu werden als Photodioden vorzugswei­ se halbkreisförmige Photodioden verwendet (Anspruch 3).

Bei ausgeschaltetem Lokaloszillator ist mit dem erfindungsge­ mäßen Konzept außerdem eine Akquisition und Nachführung des Empfangslichts mittels Direktempfang möglich. Dies wiederum ist für eine Inbetriebnahme eines kohärenten Übertragungssy­ stems notwendig.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Vorteile der Ge­ winnung eines Fehlersignals mittels Direktempfang bzw. des so­ genannten Nutator-Prinzips verbunden und gleichzeitig deren Nachteile vermieden. Da gemäß der Erfindung das zur Regelung benutzte Signal aus den Überlagerungsströmen von Photodioden gewonnen wird, ist das Signal-Rausch-Verhältnis hoch und prak­ tisch unabhängig von Hintergrundlicht. Zusammen mit einer sehr kurzen Verzögerungszeit des Fehlersignals ermöglicht dies eine große Bandbreite des Strahlregelungssystems und führt somit zu einer hohen Störunterdrückung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren braucht auch nicht ein An­ teil des Empfangslichts zur Gewinnung des zur Regelung verwen­ deten Signals abgespaltet zu werden. Eine systematische Fehl­ ausrichtung des Empfangsteleskops wie bei dem Nutator-Prinzip entfällt ebenfalls. Deshalb treten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die bei den eingangs kurz behandelten Verfahren festgestellten, systematischen Verluste nicht auf.

Ferner sind die für Anwendungen im Weltraum besonders kriti­ schen, mechanischen Anforderungen zum Teil erheblich redu­ ziert. Ferner können optische Abbildungsfehler, die aufgrund von Aberration auftreten, wegen der langen Brennweite vernach­ lässigt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausfüh­ rungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine mit Hilfe von Blockdiagrammen schematische Wiedergabe des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 2 eine ebenfalls zum Teil mit Hilfe von Blockdia­ grammen wiedergegebene Darstellung einer Einrich­ tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens.

Wie in Fig. 1 schematisch angedeutet ist, wird mittels einer Empfangsoptik aufgenommenes, sowie anschließend gebündeltes und fokussiertes Licht einem Strahlteiler 2 zugeführt. In dem Strahlteiler 2 wird das fokussierte Empfangslicht mit Licht von einem lokalen Laser 3 überlagert. Das mit dem Licht des lokalen Lasers überlagerte Empfangslicht wird durch den Strahlteiler 2 entsprechend aufgeteilt und die entstehenden Teilstrahlen werden jeweils einer durch Photodioden gebildeten Detektoranordnung 4 ₁ und 4 ₂ zugeführt. Aus den Ausgangsströmen der beiden Detektor-Anordnungen 4 ₁ und 4 ₂ werden in einer nachgeordneten Elektronik 5, deren prinzipieller Aufbau nach­ stehend anhand von Fig. 2 näher beschrieben wird, sowohl ein mit der Information behaftetes Überlagerungssignal als auch eine x- und y-Komponente des Fehlersignals gebildet. Die Feh­ lersignal-Komponenten x und y werden über eine Regelungsein­ heit 6 zur Strahlsteuerung verwendet. Aus dem Überlagerungs­ signal wird zusätzlich die Frequenz- und gegebenenfalls die Phasenregelung des lokalen Oszillators abgeleitet.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nunmehr an­ hand von Fig. 2 erläutert. In Fig. 2 wird auftreffendes Emp­ fangslicht, was durch drei waagrechte Pfeile links in Fig. 2 angedeutet ist, mittels einer Linsenanordnung aus zwei aberra­ tionskorrigierten Linsen 10 und 13 über Kippspiegelsysteme 11 und 12 auf die Photodetektoren fokussiert. Die Kombination aus einer konvexer Linse 10 und einer konkaven Linse 13 ergibt eine kurze Baufrom bei großer Brennweite. Bei den beiden Kipp­ spiegelsystemen handelt es sich um ein langsames Kippspiegel­ system 11 mit großer Dynamik und um ein schnelles Kippspiegel­ system 12 mit kleiner Dynamik. In dem polarisationsunabhängi­ gen Strahlteilerwürfel 20 wird das gebündelte und fokussierte Empfangslicht mit Licht von einem lokalen Laser 3 im freien Raum überlagert. Die durch den Strahlteilerwürfel 20 gebilde­ ten Teilstrahlen werden von jeweils einem Photodiodenpaar 4 ₁ bzw. 4 ₂ detektiert. Vorzugsweise werden als Photodioden 4 ₁₁, 4 ₁₂, 4 ₂₁ und 4 ₂₂ halbkreisförmige Photodioden verwendet.

Die Ausgangsströme der Photodioden 4 ₁₁ bis 4 ₂₂ werden in rauscharmen Verstärkern 7 ₁₁ bis 7 ₁₂ verstärkt und dann vorzei­ chenrichtig in Addiergliedern 54 und 55 addiert bzw. in Sub­ trahiergliedern 51 bis 53 subtrahiert und anschließend ge­ trennt in nachgeordneten Verstärkern 56 ₁ bis 56 ₃ verstärkt. Zur Bildung der Fehlersignal-Komponente x ist dem Verstärker 56 ₁ ein Gleichrichter 57 ₁ und zur Bildung der Fehlersignal- Komponente y ist dem Verstärker 56 ₂ ein Gleichrichter 57 ₂ zu­ geordnet. Nach der vorzugsweise synchron erfolgten Gleichrich­ tung der Fehlersignal-Komponenten (x, y) werden diese einer Regelungseinheit 6 zugeführt, deren Ausgangssignale zu einer entsprechenden räumlichen Strahlregelung mittels der beiden Kippspiegelsysteme 11 und 12 benutzt werden.

Das informationsbehaftete Überlagerungssignal am Ausgang des Verstärkers 56 ₃ wird sowohl der Einheit 7 zur Gewinnung des Da­ tensignals als auch der Einheit 30 zur Frequenz- und gegebe­ nenfalls zur Phasenregelung des lokalen Lasers 3 zugeführt.

Wie vorstehend bereits kurz ausgeführt, weist das Datensignal ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis auf und ist praktisch unab­ hängig von Hintergrundlicht. Gleichzeitig ist bedingt durch die sehr geringe Verzögerungszeit in den x- und y-Komponenten des Fehlersignals eine große Bandbreite im Strahlregelungssy­ stem geschaffen, wodurch wiederum eine sehr hohe Störunter­ drückung erreichbar ist.

Claims (3)

1. Verfahren zum Gewinnen von Fehlersignalen für eine räumli­ che Strahlregelung eines optischen Überlagerungsempfängers in einem Kommunikationssystem, bei welchem

• a) Empfangslicht mit Licht von einem lokalen Laser (3) im freien Raum überlagert und in zwei Strahlbündel aufgeteilt wird, und jedes Strahlbündel einer
• b) Detektoranordnung (4 ₁, 4 ₂), bestehend aus jeweils mindenstens zwei Detektorelementen, zugeführt wird, so daß nach entsprechender Addition und Subtraktion von Ausgangsströ­ men der Detektoranordnungen (4 ₁ bzw. 4 ₂) sowohl Fehlersignale für die Strahlregelung als auch das Datensignal gewonnen wer­ den.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der
eine Linsenanordnung (10, 13) und zwei Kippspiegelsysteme (11, 12) vorgesehen sind,
das dadurch fokussierte Empfangslicht in einem polarisations­ unabhängigen Strahlteiler-Würfel (20) mit Licht des lokalen Lasers (3) überlagert und in zwei Strahlbündel aufgeteilt wird, und
die beiden Strahlbündel zur Detektion zwei Photodiodenpaaren (4 ₁ bzw. 4 ₂) zugeführt werden, deren Ausgangsströme nach Addi­ tion und Subtraktion in Addiergliedern (54, 55) bzw. Subtra­ hiergliedern (51 bis 53) in nachgeschalteten Verstärkern (56 ₁ bis 56 ₃) verstärkt werden, wodurch das Datensignal und nach Gleichrichtung in Gleichrichtern (57 ₁, 57 ₂) die x- und die y- Komponente eines Fehlersignals für die Strahlregelung erhal­ ten werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, bei der die Photodiodenpaare (4 ₁, 4 ₂,) aus je zwei halbkreisförmigen Photodioden (4 ₁₁, 4 ₁₂; 4 ₂₁, 4 ₂₂) bestehen.