KR101976548B1

KR101976548B1 - 대기 교란으로 인한 신호 페이딩을 감소시키기 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101976548B1
Application number: KR1020177006480A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 에이. 베틴; 블라디미르 브이. 시쿠노브
Original assignee: 레이데온 컴퍼니
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2019-05-09
Also published as: JP2017526287A; WO2016028386A1; JP6336200B2; KR20170039748A; EP3183827B1; US9503182B2; CA2957523C; EP3183827A1; CA2957523A1; US20160056892A1

Abstract

광통신 시스템에서 광신호 페이딩을 감소시키기 위한 방법 및 시스템은, 광신호가 전송되는 대기에 대해서, 교란으로 인한 발산 및 조준 방향의 편차를 동적으로 획득하는 단계; 사전 결정된 직경의 단일 횡모드 레이저빔을 광신호로서 생성하는 단계; 대기의 획득된 교란으로 인한 발산이 백트랙 조준 방향과 매칭되도록, 레이저빔의 직경을 동적으로 변화시키는 단계; 및 가변 직경을 가진 레이저빔을 광신호로서 원격 송수신기에 전송하는 단계를 포함한다.

Description

대기 교란으로 인한 신호 페이딩을 감소시키기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR REDUCING SIGNAL FADING DUE TO ATMOSPHERIC TURBULENCE}

본 발명은 광신호 처리에 관한 것으로, 더 상세하게는 대기 교란으로 인한 신호 페이딩을 감소시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

대기는 광신호의 전송을 위한 매우 복잡한, 시간 종속적 교란 매체이다. 교란 대기에서의 레이저빔 전파는 레이저빔의 불균일한("얼룩덜룩한"이라고도 함), 공간 구조의 형성과 함께 무작위 빔 이탈(random beam wander)(레이저빔 전파의 중심 방향을 바꾸는 것) 및 강한 수차(aberration)를 수반할 수 있다. 이러한 얼룩덜룩한 빔의 세기 프로파일의 단면은 낮은 광 세기 또는 0의 광 세기를 가진 영역에 의해 분할되고, 무작위로 분포되어 있는 밝은 스폿("스펙클(speckle)")으로 구성되어 있다. 전형적인 수평 경로 및 공간 통신 업링크 시나리오의 경우, 전송되는 빔 스폿 내에 많은 스펙클이 형성될 수 있다.

로컬 온도 및 공기 밀도와 같은 대기 파라미터의 시간 변화는, 스펙클 패턴의 무작위 "비등(boiling)", 다시 말해 세기 최대치 및 최소치의 포인트가 빔을 가로질러 무작위적으로 이동하는 것처럼 보이는 스펙클 분포의 변화를 유발한다. 이러한 변화는 레이저빔 세기의 공간 분포의 시간 변동으로서 나타나는 신틸레이션 효과(scintillation effect)를 나타낸다. 신틸레이션 효과는 주어진 애퍼처 수신기에 의해 획득되는 신호 전력의 변동으로 해석된다. 특히, 애퍼처가 스펙클 크기와 비슷하면, 수신기가 우연히 스펙클 사이에 있는 시간 간격 동안에는 수신 전력이 현저하게 감소될 수 있다. 이러한 효과를 신호 페이딩이라고 한다. 신틸레이션이 신호 페이딩에 미치는 영향은 스펙클 크기가 수신 애퍼처보다 큰 경우에 대개 뚜렷하고, 장거리 지상-위성 업링크 통신 채널의 경우에는 실질적으로 항상 그렇다.

교란 대기에서의 무작위 빔 이탈로 인해, 레이저빔이 전체적으로 수신 애퍼처 외부에서 충분히 멀리 이동할 때 획득되는 수신기 신호 전력이 또한 현저하게 감소될 수 있다. 이러한 빔 이탈 효과는, 신틸레이션 과정에 의해 스펙클 이동이 시간적으로 변동하는 것과는 다르다. 그 동역학은 보통 휠씬 느리고, 빔 이탈로 인한 영향은 레이저빔의 조준 방향을 적응적으로 조절함으로써 최소화될 수 있다. 불행하게도, 조준의 조절은 빔 스폿 내부에서 비등하고 있는 스펙클로 인한 신호 페이딩을 감소시킬 수 없다.

온도의 변화 및 이에 따른 밀도의 변화가 유도하는 대기 굴절률의 무작위 비균질성으로 인해, 프리드 파라미터는 대기를 통한 광 전송 품질의 일반적으로 인정되는 척도이다. 프리드 파라미터(Fried parameter)는 길이 단위를 가지고 있고 원형 영역의 직경으로서 보통 정의되며, 이 원형 영역 곳곳에서 대기 통과로 유도되는 파면 편차로서, 원래의 조준 방향에 수직인 평평한 표면으로부터의 파면 편차의 RMS(RMS of atmosphere passage induced wavefront deviations from plain surface normal to original pointing direction)는 1 라디안과 동일하다. 이렇게 정의되는 프리드 파라미터에는 2가지 효과, 즉 빔 이탈로 인한 파면 틸트, 및 빔 크기보다 작은 측면 스케일에서 파면 형상의 무작위화 변동이 함께 통합되어 있다.

자유 공간 레이저 통신(Free space laser communication, lasercom) 시스템은 현재 대기 및/또는 우주에서 2개의 지점 간의 정보의 전송을 위해 사용되고 있으며, 이러한 정보의 전송은 2개의 송신점 및 수신점 간에 전파되는 정보 캐리어의 역할을 하는 지향된 레이저빔에 정보 신호를 시간 변조로서 중첩한 것을 이용한다. 무작위로 신호가 사라지거나 소정의 임계 레벨 이하로 전력이 감소하는 효과인 신호 페이딩은, 전자파 기반 통신 시스템의 성능을 제한한다고 잘 알려져 있는 문제점이다. 특히, 교란 대기를 통해 작동하는 레이저 통신 시스템은 트래킹 시스템에 의해 보통 제공되며, 신틸레이션 현상으로 인해 신호 페이딩이 주로 발생한다.

레이저 통신 시스템의 경우, 대기 중 신틸레이션 효과로 인한 신호 페이딩을 최소화하기 위한 다른 방법이 제안되어 있다. 이러한 제안된 방법은 수신 증폭기에 대한 자동 이득 제어, 커다란 수신 애퍼처 또는 복수의 분산되어 있는 수신 애퍼처를 이용하는 것, 및 적응형 광학 기기(adaptive optics)와 위상 공액(phase conjugation)을 이용하는 것을 포함한다. 하지만, 이러한 제안된 방법 모두는, 구현하기에 기술적으로 복잡하고 고가일 뿐만 아니라, 신호 페이딩 문제를 해결하기는 커녕 통신 신호에 여분의 잡음을 추가한다. 또한, 지상과 위성 간의 장거리 통신 링크에 이러한 방법을 적용하기에는 제한된 성능을 가지고 있다.

본 발명은 대기 중의 신틸레이션 효과에 의해 야기되는 신호 페이딩에 미치는 영향을 최소화하거나 또는 사실상 제거하도록 돕는 장치 및 방법이다.

일부 실시예에서, 본 발명은 광통신 시스템에서 광신호 페이딩을 감소시키기는 방법이다. 광신호 페이딩을 감소시키기는 방법은, 광신호가 전송되는 대기에 대해서, 교란으로 인한 발산 및 조준 방향의 편차를 동적으로 획득하는 단계; 사전 결정된 직경의 단일 횡모드 레이저빔을 광신호로서 생성하는 단계; 대기의 획득된 교란으로 인한 발산이 백트랙 조준 방향과 매칭되도록, 레이저빔의 직경을 동적으로 변화시키는 단계; 및 가변 직경을 가진 레이저빔을 광신호로서 원격 송수신기에 전송하는 단계(또한 선택적으로, 조준 방향을 변화시키는 단계)를 포함한다.

일부 실시예에서, 본 발명은 광신호 페이딩을 감소시키기 위한 광통신 시스템이다. 광통신 시스템은, 원격 송수신기가 대기를 통해 전송하는 다운링크 광빔을 포착하기 위한 애퍼처를 포함하는 인/아웃 짐벌식 망원경; 샘플링된 다운링크 광빔의 일부를 모니터링하기 위해 빔 샘플러를 통해 다운링크 광빔을 지향시키는 스티어링 미러; 샘플링된 일부를 수광하는 원거리장 렌즈 - 원거리장 렌즈는 샘플링된 일부를 원거리장 렌즈의 초점면이나 원거리장 렌즈의 초점면 가까이에 위치하는 카메라 쪽으로 지향시키고, 카메라는 원거리장에서 중심점 위치를 트래킹하고 다운링크 광빔의 빔 직경을 찾음으로써, 시간 종속적 도달각(원격 송수신기의 가시 위치) 및 다운링크 광빔의 샘플링된 일부의 빔 발산을 모니터링하고 측정함 -; 단일 횡모드 레이저빔을 발생시키기 위한 레이저 송신기, 원격 송수신기에 전송될 업링크 광신호로서의 빔을 사전 결정된 직경으로 재포맷하기 위한 광학 시스템; 및 메모리 및 I/O 회로를 포함하는 프로세서로서, 원격 송수신기에 전송될 업링크 광신호에 대한 최적 직경 및 빔 각도를 다운링크 광빔의 샘플링된 일부의 측정된 순간 도달각과 빔 발산, 및 원격 송수신기의 가시 위치에 따라 결정하고, 레이저빔의 직경을 결정된 최적 직경으로 동적으로 설정하며 레이저빔의 방향을 결정된 빔 각도로 동적으로 설정하는 프로세서를 포함한다.

일부 실시예에서, 원격 송수신기는 지상 스테이션과 광통신하는 위성에 위치한다.

또한, 본 발명의 시스템 및 방법은, 전송되는 광신호의 조준 방향을, 광신호가 원격 송수신기에 도달하는 시점에 원격 송수신기의 예측된 위치를 향해 동적으로 제어할 수 있다.

유사한 도면 부호가 유사한 컴포넌트를 나타내는 첨부 도면과 함께 검토하는 경우 다음의 상세한 설명을 참조하여 발명이 더 잘 이해될 수 있으므로, 본 발명의 더 완전한 이해와 더불어 본 발명의 부수적인 특징 및 양태가 더 즉시 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따른 예시적인 프로세스 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시예에 따른 장치의 예시적인 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예에 따른 신호 페이딩 감소 효과를 나타내는 예시도이다.

일부 실시예에서, 본 발명은 빔을 수신기 쪽으로 전송하기 전에 지상 기반 송신기의 출력 평면에서 레이저 출력 빔 직경(d_out)을 적절하게 선택하거나 또는 동적으로 제어하여 위성 수신기에서 신호 페이딩을 최소화하기 위한 장치 및 방법이다. 일부 실시예에서, 본 발명은 틸트 및 높은 차원의 빔 왜곡을 별도로 또한 독립적으로 해결한다. 이러한 이유로, 본 발명은 서로 다른 파라미터, 즉 프리드 파라미터(Fried parameter)와 관련있으나 이와 다른 가로 상관관계 스케일 파라미터(transverse correlation scale parameter,

)를 이용하여 작동한다.

는 회절 한계 유사 가우스 빔(diffraction limited Gaussian-like beam)의 직경으로서 아래에 정의되는데, 이 빔은 커다란 크기의 시준된 빔이 2개의 위치, 즉 송신기와 수신기 사이에서 교란 대기의 층을 통해 전파된 후에 축적되는 시간 평균 발산(time averaged divergence)과 동일한 발산 값을 가진다. 일반적인 대기 조건 하에서 거의 수직인 전파 경로의 경우, 가로 상관관계 스케일 파라미터

의 값은 보통 2.5 cm 내지 25 cm의 범위에서 변화한다. 유사 가우스 빔의 빔 직경은 최대 세기로부터 레벨 1/e2(FW1/e2)에서 전체 너비와 동일하거나, 또는 그렇지 않으면 전체 빔 전력의 86%까지를 둘러싸는 버킷 크기와 동일하게 결정된다.

일부 실시예에서, 위성 쪽으로 지향된 빔의 출력 전력은 직경(d_out) 변동시 일정하다고 추정되고, 송신기 빔은 단일 횡모드 레이저에 의해 생성된다고 추정되며 그래서 공간적으로 가간섭성을 가진다. 빔 직경은 타겟에서 전송되는 빔에서 스펙클 형성을 최소화하는 최적 값(d_opt)에 가깝게 설정된다. 최적 직경(d_opt)은 주어진 최소값으로 설정되거나, 또는 시간 가변 대기 조건에 대해서 조절될 수 있다. 예를 들어, 1500 nm 내지 1600 nm 파장에서 작동하는 업링크/다운링크 지상-위성 레이저 통신 시스템(ground-to-satellite lasercom system)의 경우, 출력 빔 직경(d_out)의 변화가 일반적인 대기 조건에 대해서 2.5 cm 내지 10 cm의 범위에 있다. 방사 빔의 가변 직경은 위성 궤도에서 빔 내의 스펙클의 개수를 감소시키는 목적에 부합하고, 궁극적으로(이상적으로) 단일 로브에 의해서만 빔을 나타내게 한다.

일부 실시예에서, 빔 직경 제어는 수신기가 신호 레이저빔의 도달시간에 있을 수신기 위치를 향하는 출력 빔 조준 방향의 동시 동적 제어와 조합된다. 제어를 추가함으로써 방황하는 단일 로브를 가진 빔 스폿의 중심을 위성 수신기 애퍼처의 위치에 가깝게 유지하도록 돕는다. 빔 직경과 조준 방향 모두는, 위성에 의해 방사되고 지상에서 수신되는 레이저 신호의 원거리장 분포(far-field distribution)의 검출 및 분석에 의해 규정된다. 레이저 신호는 다운링크 통신 신호 또는 위성에 위치하는 레이저 비콘의 빔을 싣고 있는 빔의 샘플링된 작은 부분일 수 있다.

일부 실시예에서, 빔의 중심 방향 부근에서 평균 빔 발산을 측정하기 위해, 지상 기반 송신기 스테이션의 수신기에 의해 획득되는 빔의 순간 발산 및 도달각(angle of arrival, AoA)은, 그린우드 주파수(Greenwood frequency)보다 훨씬 작은 느린 레이트로 원거리장에서 샘플링되고 처리된다. 위성으로부터 지상으로 수신되는 레이저빔의 경우, 파면(wavefront)의 미세 구조는 통상 약 500 Hz인 그린우드 주파수를 특징으로 하는 시간 스케일에서 시간에 따라 변화한다. 파면 센서 및 변형 가능한 미러를 이용하여 실시간 트래킹을 처리하고 수차를 가진 빔(aberrated beam)을 보정하는 적응형 광학 기기(Adaptive optics, AO) 접근법은 일반적으로, 매 순간 빔 수차를 획득하기 위해 수신된 빔 스냅샷을 그린우드 주파수보다 보통 더 빠른 레이트로 샘플링하는 것을 필요로 한다.

하지만, 본 발명에서는 수차를 가진 파면의 개별적인 구현을 트래킹할 필요가 없다. 오히려, 일부 실시예에서, 수신되는 빔의 발산 및 중심 방향(다운링크 파면의 소규모 변화에 대한 시간보다 훨씬 긴 시간에 걸쳐 평균화됨)은 충분할 수 있다. 본 발명은 다운링크 빔에서의 평균 발산 및 평균 틸트가 국소적인 소규모 파면 수차의 순간 구현보다 휠씬 느린 시간 동안 변화한다는 사실을 이용한다. 도달한 빔의 발산 및 조준 방향에 대한 측정은, 이러한 파라미터들 각각의 느린 변화의 시간 스케일과 매칭되는 시간을 평균화하여 이루어진다고 추정된다. 일부 실시예에서, 특성 획득 및 처리 시간은 수 헤르츠(Hertz) 내지 서브-헤르츠(sub-Hertz) 범위에 있을 수도 있다.

선택적으로, 공통 공유 출력/입력 애퍼처(common shared output/input aperture)와 광축이 지상 스테이션의 수신기 및 송신기(송수신기)에 제공된다. 이 애퍼처와 광축은 위성에 전송될 업링크 빔과 거의 동일한 경로를 통해 우주로부터 도달하는 다운링크 빔을 특성화할 수 있게 한다. 다른 선택은 작은 거리에서 애퍼처를 좌우로 분리시키는 것일 수 있다. 이것이 가능한 이유는, 본 발명이 거의 수직의 빔 경로에 걸치는 미터 스케일 변위(meters scale displacement)에 대해서 많이 변화하지 않는 대기의 평균화 특성을 이용하기 때문이다.

그 다음, 본 발명은 업링크 출력 빔(예를 들어, 지상에서 송신기로부터 위쪽으로 전송되는)의 직경 "d_out"을 동적으로 제어하여, d_opt 값에 근접한 직경을 유지하면서 빔 발산이 인입되는 다운링크 레이저빔의 측정된 발산과 대략 동일하도록 한다. 업링크 빔이 대기를 통해 위성의 수신기 쪽으로 전파된 후에, 빔 직경 제어는 업링크 빔에 스펙클이 형성되는 것을 최소화한다. 추가적으로, 빔 직경 제어는 업링크 레이저빔의 도달시간에 있을 궤도 상의 위성 위치 쪽으로의 출력 업링크 빔 조준 방향의 동시 적응형 제어(simultaneous adaptive control)와도 조합될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따라 광통신 시스템에서 광신호 페이딩을 감소시키기 위한 예시적인 프로세스 흐름도이다. 블록 102에 도시된 바와 같이, 조준 방향의 교란으로 인한 발산 및 편차, 예를 들어, 다운링크 광신호의 평균화된 각 발산(averaged angular divergence)(대기 교란으로 인한)이 획득된다. 각 발산은 지상 기반 시스템 애퍼처의 원거리장에서 직접 측정을 통해 획득될 수 있다. 대기에서 경험되는 수차로 인해, 이러한 발산은 수신하는 지상 기반 망원경의 애퍼처 직경에 대응하는 회절 한계 발산(diffraction limited divergence)을 보통 크게 초과한다. 블록 104에서, 단일모드 레이저빔이 업링크 광신호로서 전송되기 위해 생성된다. 업링크 빔의 직경(d_out)은 이 빔의 회절 한계 발산이 입사하는 다운링크 빔의 평균화된 발산과 거의 매칭되도록 설정된다.

그 다음, 블록 106에서, 획득되는 각 발산 데이터에 따라 레이저빔의 직경(d_out)이 동적으로 변화된다. 대기의 굴절률 왜곡이 서로 다른 경우, 레이저빔의 직경이 고요한 대기 조건 동안 매 세트의 시구간, 예컨대 이른 아침, 정오, 늦은 오후, 및 밤에 변화될 수 있다. 날씨가 급속히 변화하는 상황의 경우에는, 빔 직경이 실시간으로 갱신될 수 있다.

블록 108에서, 최적 직경을 가진 회절 한계 레이저빔이 광신호로서 원격 수신기에 전송된다. 일부 실시예에서, 역방향을 수신되는 왜곡된 다운링크 빔의 평균화된 도달각과 매칭시키기 위해 전송 방향이 시간에 맞추어 변화된다.

도 2는 본 발명의 일부 실시예에 따른 장치의 예시적인 블록도이다. 도시된 바와 같이, 예를 들어 지상의 스테이션에서, 커다란 크기의 애퍼처(예를 들어, 20 cm 또는 그 이상의 크기)를 가진 인/아웃 짐벌식 망원경(gimbaled telescope)(206)이 대기를 통해, 예를 들어 위성으로부터 들어오는 광(204)의 다운링크 빔을 포착한다. 다운링크 광빔(204)은 소스(위성)에 의해 방사되는 레이저 소스에 의해 링크의 반대측에 생성되고 대기를 통과한 상태이다. 이 빔은, 발산 및 다운링크 빔의 도달각(AoA)를 샘플링하고 측정하기 위한 정보를 싣고 있는 신호 다운링크 빔, 또는 가능한 경우 비콘 빔일 수 있다.

다운링크 빔을 빔 샘플러(210) 쪽으로 지향시키기 위해 스티어링 미러(208)가 사용된다. 빔 샘플러(210)는, 수신되고 역방향으로 전송되는 레이저 방사선(지상 스테이션에서) 둘 다를 위한 광 경로에서 전력 손실을 방지/최소화하기 위해, 샘플 채널 쪽으로 낮은 반사율을 가진 빔 스플리터일 수 있다.

빔 샘플러(210)는 다운링크 빔의 작은 일부(예를 들어, 전체 수신 신호 전력의 1% 이하)를 샘플링한 다음, 샘플링된 일부를 원거리장 렌즈(216)에 송신한다. 그 다음, 원거리장 렌즈(216)는 샘플링된 일부를 원거리장 렌즈의 초점면에 위치하거나 또는 그 초점면 가까이에 위치하는 카메라(218) 쪽으로 지향시킨다. 카메라(218)는, 샘플링된 다운링크 빔의 각도 특성, 발산, 및 틸트를 측정하기 위해 다운링크 빔의 원거리장 평면에 위치하는 전하결합소자(CCD) 카메라일 수 있다.

이 카메라는, 인입되는 빔 중심점 위치 및 빔 직경을 원거리장에서 모니터링함으로써, 인입되는 다운링크 빔의 순간 도달각과 빔 발산, 및 소스(위성)의 가시 위치를 측정한다. 그 다음, 신틸레이션 감소를 위한 최적 출력 업링크 빔 직경, 및 위성에 조준될 빔의 복귀각 둘 다를 결정하기 위해, 측정 데이터가 프로세서/컨트롤러(220)(메모리 및 I/O 회로 포함)에 의해 사용된다. 스티어링 미러(208)의 피드백 제어가 샘플링된 빔이 카메라(218) 시야 영역 내의 특정한 포인트에 정렬되도록 유지할 수 있고, 이와 동시에 송신기(214) 빔이 다시 위성 쪽으로 조준될 수 있다.

추가적으로, 송신기 레이저(214)는 업링크 빔(202)으로서 전송될 회절 품질의 광신호(diffraction quality optical signal)를 생성한다. 일부 실시예에서, 측정 데이터에 기초하여, 순간 송신기 출력 빔 직경(d_out)을 설정하기 위해 적응형 제어가 줌 망원경(212)에 적용된다(측정에 의해). 줌 망원경은 3개의 순차 렌즈(sequential lense)를 포함할 수 있고, 이 렌즈 중 하나 또는 2개는 출력 빔의 시준을 유지하면서 망원경 확대율을 변화시키기 위해 동시에 이동될 수 있다. 일부 실시예에서, 측정 데이터에 기초하여, 업링크 빔의 방향 각도가 계산된 값을 가리키도록 리드각 교정(lead angle correction)(예컨대, 이동하는 위성에 대한)을 포함하는 적응형 제어가 스티어링 미러(208)에 또한 적용되며(측정에 의해), 이 적응형 제어가 다운링크 빔에 대한 시간에 따라 변화하는 측정 도달각의 원인이 된다.

일부 실시예에서, 최적 업링크 출력 빔은 시준화된다. 하지만, 출력 빔의 직경은 회절 품질 업링크 출력 빔의 발산을 대기에 의해 왜곡된 빔의 인입되는 다운링크 레이저의 측정된 발산과 대략 일치하거나 또는 동일하게 만드는 것에 기초하여 선택된다. 즉, d_out이

와 대략 같다.

이러한 조건은, 위성의 수신기를 향해 대기를 통해 전파된 후에 업링크 빔 내에 스펙클이 형성되는 것을 최소화한다. 이러한 조건은, 송신기 망원경의 전체 애퍼처를 채우는 출력에서의 직경을 가진 업링크 빔을 사용하는 것보다 훨씬 크지 않은 궤도에서 전반적인 스폿 크기를 또한 유지할 수 있게 한다. 이로 인해, 위성 수신기에 전송되는 전력의 손실을 방지/최소화하는데 도움이 된다. 실제로, 이 궤도에서 전송되는 빔의 밝기 및 세기는 송신기의 전체 애퍼처를 이용하는 업링크 빔의 경우와 동일하다.

일반적으로, 회절 품질 출력 빔에 대한 더 커다란 직경 크기는 궤도에서 조사되는 광 스폿의 대략 동일한 크기를 발생시킨다. 그 이유는, 업링크 빔 발산(더 커다란 크기의 애퍼처의 경우 지면 가까이에서 빔 발산이 더 적음)이 대기를 통해 위쪽으로 전달된 후에 왜곡되고 증가될 것이기 때문이다. 따라서, 업링크 빔은 결국, 입사하는 빔(동일한 대기 교란을 통해 통과한 상태임)에 대해 측정된 발산과 대략 동일한 발산을 획득한다. 이와 동시에, 전체 송신기 애퍼처가 사용되면, 더 작으면서 최적 직경 크기를 가진 방사된 빔은 최소 발산보다 큰 초기 발산의 원인이 될 것이다. 하지만, 여분의 발산은 교란으로 인한 증가분을 대기에 의해 왜곡된 빔의 발산과 매칭시킨다.

위성의 수신 애퍼처를 조준하는 빔의 에러가 0이 아니면 신틸레이션 효과를 증가시킬 수 있고, 따라서 출력 직경이 최적화되더라도 이 궤도에서 레이저 스폿에 걸쳐 스펙클 형성의 원인이 된다. 이러한 이유로, 업링크 빔 조준은 수신된 다운링크 빔의 도달각을 실시간으로 역추적하고 있다. 일부 실시예에서, 업링크 빔의 복귀각은, 업링크 레이저빔 도달시에 위성이 있을 궤도 상의 위치 쪽으로 빔을 목적지(위성)에 조준하도록 선택된다.

다시 말해, 다운링크 빔의 크기 및 도달각 측정을 위해 필요한 지상 스테이션에서의 반응 시간을 포함하여 레이저 광이 위성으로부터 지상까지 그리고 다시 위성까지 이동하는 시간 동안 위성 움직임을 보상하기 위해, 이 빔은 소정의 사전 계산된 리드 전 각도 시프트(lead ahead angle shift)(측정되는 다운링크 빔 도달각에 더해짐)를 가진 인입되는 다운링크 빔에 대해 거의 역방향으로 되돌아간다. 그 다음, 측정된 데이터가 처리되고, 제어가 출력 업링크 빔의 크기 및 방향에 적용된다.

도 3은 본 발명의 일부 실시예에 따른 신호 페이딩 감소 효과를 설명하는 예시도이다. 도면의 좌측 절반은, 위쪽으로 방사된 빔 직경(d_out)이 최적 크기(d_opt)보다 큰 경우(이는 대략

라고 추정)에 대기를 통해 이동하고 위성 수신기 애퍼처에서 스펙클을 발달시키는 랜덤화된 파면을 나타내고 있다. 이 최적 직경은 입사하는 다운링크 빔 파면에 대한 가로 상관관계 스케일 파라미터(

)를 지칭한다. 지상의 애퍼처에 입사하는 다운링크 빔은 몇 개의, 대략 (D/

)² 개의 상관관계 스케일 크기(

)의 인접한 웨이브렛(wavelet)으로 이루어져 있다고 상상될 수 있고, 이 웨이브렛이 직경 D의 전체 송신기 애퍼처를 덮고 있다. 다운링크 빔 왜곡은 로컬 입사 도달각(파면에 수직인 로컬에 의해 규정되는 광선 방향)이 웨이브렛에서 웨이브렛으로 수신기 애퍼처에 걸쳐 변화한다는 것을 의미한다. 이런 이유로, 출력 업링크 빔이 전체 애퍼처에 걸쳐 공통 방향을 특징으로 하는 평평한 파면을 가진 상태라면, 업링크 빔에 대한 광선은 다운링크 신호 광선에 대해 정확히 역방향으로부터 이탈한다. 결과적으로, 도 3의 좌측 부분에 도시된 바와 같이, 서로 다른 웨이브렛이 대기에서 혼합될 광선을 올려보낼 것이며, 원거리장에서(궤도 상에서) 스펙클 형성을 초래한다.

도면의 우측 절반은 스펙클이 최소로 형성되거나 또는 스펙클이 제거되면서 업링크 빔을 방사하기 위한 조건을 도시하고 있다.

보다 대략 작거나 미세하게 작고 다운링크 빔을 수신하는 애퍼처의 직경(D)보다 보통 훨씬 작은 직경(d_out)을 가진 업링크 빔이 조사된다. 이 업링크 빔은 하나의 로컬 웨이브렛에 의해서만 효과적으로 방사된다. 따라서, 이것은 대기 경로의 가로 상관관계 크기와 매칭되고, 그래서 교란하는 공기를 통한 전파에 의해 끊어지지는 않으며, 위성을 향해 광선의 연속된 패킷(solid packet)으로서 이어진다. 또한, 방사선의 로컬 방향은 이 웨이브렛에서 수신되는 빔의 로컬 방향에 대해 역방향이 되도록 실시간으로 매칭된다. 이로 인해, 광선의 패킷이 위성 레이저 소스에 정확하게 전달될 것이라고 보장한다.

후자의 경우, 대기를 통해 이동한 후의 빔 발산(

)은 전체 송신기 애퍼처(D)가 회절 한계 빔을 조사하는 경우의 발산과 유사하며, 항상 D보다 작은 직경(d_out)의 실제 출력 빔과 마찬가지로 궤도에서 동일한 빔 직경을 제공한다. 또한, 도시된 바와 같이, 빔 축 부근의 스펙클 형성이 상관관계 스케일(

)과 매칭되는 출력 빔 직경(d_out)의 경우에 대해서만 감소되며, 따라서 이 빔 직경이 수신기에 전달되는 거의 최대 전력이면서 최소 신틸레이션에 대응하는 최적의 작동 포인트가 된다.

업링크 출력 빔 초기의 직경(d_out)은 1/e2의 세기 레벨(FW1/e2) 빔 직경에 의해 규정되는 전체 너비로서 정의되고, 이 직경은 최대 세기로부터 exp(-2) 감소된 레벨의 근사 가우시안 강도 분포 프로파일(near Gaussian intensity distribution profile)의 직경이다. 빔의 초기 직경은 최적 값과 대략 같도록 동적으로 제어된다:

여기서, l는 작동 중심 파장이고,

는 FW1/e2의 세기 레벨에서 측정된 다운링크 빔 발산이다.

의 값은, 그 원거리장 렌즈의 초점 길이로 분할되는 원거리장 렌즈의 초점면에서의 빔 직경(FW1/e2)의 세기 레벨에서의 빔 직경, 또는 카메라나 다른 적절한 장치에 의해 측정되는 둘러싸인 전력의 86% 안에 포함되는 원의 직경)과 동일하다. 또는, 단순화된 구현의 경우, 직경이 지면 상의 위치에 인접한 일반적인 대기 조건의 경우 흔히 관찰되는 최대의 발산(

)에 대응하는 최소값으로 설정될 수 있다.

대기(예를 들어, 지상-위성 레이저 통신)를 통하는 거의 수직 전파 경로의 경우, 가로 상관관계 스케일 파라미터(

) 값은 보통 2.5 cm 내지 25 cm 범위에서 변화한다. 따라서, 최적 출력 빔 직경의 예상 값은 2.5 cm 이상이다. 출력 빔 직경의 실시간 적응형 제어의 경우, 스펙클 형성 및 신틸레이션에 주로 기여하는 지면 부근 유효 대기층(effective atmosphere layer)의 길이와 대략 같은 빔 회절 길이에 대응하는 레벨로 상위 값을 제한하는 것이 합리적일 것이다. 일부 경우에, 추정치는 약 10 cm의 값을 제공한다. 10 cm보다 큰 최적 빔 직경은, 위성에 의해 획득되는 신호 전력을 증가시킬 수 있다(아마도 매우 먼 거리, 즉 달이나 행성에서 레이저 통신에 유용할 수 있음). 하지만, 빔 파라미터 측정 및 제어의 복잡성이 증가함으로 인해 상위 값을 제한할 필요가 없을 수 있다. 실제로 적용하는 경우, 다운링크 빔 발산 및 도달각 측정에 필요한 획득 레이트가 다를 수 있지만, 특성 그린우드 주파수(500 Hz 이하)보다는 훨씬 작을 것이며, 일부 경우에는 수 헤르츠 내지 서브-헤르츠 범위에 있다고 추정된다.

실시간 다운링크 빔 발산 측정은, 동적으로 애퍼처를 제어함으로써 다운링크 정보 전송을 위한 SNR 안정성을 향상시키는데 유용할 수 있으며, 수신된 다운링크 신호는 애퍼처를 통해 검출기 쪽으로 가게 된다.

당업자라면, 본 발명의 넓은 발명의 범위를 벗어나지 않고도 전술한 실시예 및 다른 발명의 실시예를 다양하게 변형할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예나 특정 배치에 한정되지 않고, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 한정된 본 발명의 범위와 사상에 속하는 임의의 변경, 개조 또는 변형을 포함하는 것으로 이해될 것이다.

Claims

광통신 시스템에서 광신호 페이딩을 감소시키는 방법으로서,
위성으로부터 대기를 통해 다운링크 광신호를 수신하는 단계;
수신된 다운링크 광신호의 중심 방향 부근에서 시간에 걸쳐 상기 수신된 다운링크 광신호의 교란으로 인한 발산 및 평균 빔 발산을 측정하기 위해, 그린우드 주파수(Greenwood frequency)보다 작은 샘플링 레이트로 원거리장에서 수신된 다운링크 광신호의 순간 발산 및 도달각(angle of arrival, AoA)을 샘플링하고 처리하는 단계;
상기 위성으로 송신하기 위한 업링크 광신호를 위해 사전 결정된 직경의 단일 횡모드 레이저빔(single-transverse-mode laser beam)을 생성하는 단계;
상기 레이저 빔의 사전 결정된 직경을, 업링크 광신호의 근사 회절 한계 발산(diffraction limited divergence)이 측정된 교란으로 인한 발산에 근사하게 매칭되도록 설정하는 단계;
상기 업링크 광신호의 전송 방향을 상기 수신된 다운링크 광신호의 측정된 평균 빔 발산으로 설정하는 단계; 및
설정된 직경 및 설정된 위성으로의 전송 방향에 따라 상기 업링크 광신호를 전송하는 단계
를 포함하는 광통신 시스템에서 광신호 페이딩을 감소시키는 방법.
제1항에 있어서,
위성으로 상기 광신호의 도달시간에 상기 위성의 예측된 위치 쪽으로 업링크 광신호의 방향을 동적으로 제어하는 단계를 더 포함하는 광통신 시스템에서 광신호 페이딩을 감소시키는 방법.
제1항에 있어서,
상기 위성에 전송될 상기 레이저빔과 동일한 경로를 통해 공간으로부터 도달되는 상기 다운링크 광신호를 특성화할 수 있도록, 지상의 송수신기의 수신기 및 송신기가 공통 출력/입력 애퍼처 및 광축을 포함하는, 광통신 시스템에서 광신호 페이딩을 감소시키는 방법.
제3항에 있어서,
상기 지상의 송수신기의 수신기와 송신기 각각은 애퍼처를 포함하고, 상기 애퍼처는 공간적으로 분리되어 있는, 광통신 시스템에서 광신호 페이딩을 감소시키는 방법.
제1항에 있어서,
상기 다운링크 광신호는 다운링크 통신 신호 또는 비콘 빔의 샘플링된 일부인, 광통신 시스템에서 광신호 페이딩을 감소시키는 방법.
제1항에 있어서,
상기 레이저 빔의 사전 결정된 직경을 설정하는 단계는,
상기 다운링크 광신호의 도달각을 역방향과 근사하게 매칭되도록, 가변 직경을 가진 상기 업링크 광신호의 전송 방향을 시간에 따라 변화시키는 단계를 더 포함하는, 광통신 시스템에서 광신호 페이딩을 감소시키는 방법.
제1항에 있어서,
위성으로 상기 광신호의 도달시간에 상기 위성의 예측된 위치 쪽으로 업링크 광신호를 전송하기 위해 상기 업링크 광신호의 방향을 동적으로 조절하는 단계를 더 포함하는, 광통신 시스템에서 광신호 페이딩을 감소시키는 방법.
광신호 페이딩을 감소시키기 위한 광통신 시스템으로서,
원격 송수신기가 대기를 통해 전송하는 다운링크 광빔을 포착하기 위한 애퍼처를 포함하는 인/아웃 짐벌식 망원경(in/out gimbaled telescope);
그린우드 주파수보다 작은 샘플링 레이트로 상기 다운링크 광빔의 일부의 순간 발산 및 도달각을 샘플링하기 위해 상기 다운링크 광빔을 빔 샘플러 쪽으로 지향시키는 스티어링 미러;
상기 샘플링된 일부를 수광하는 원거리장 렌즈 - 상기 원거리장 렌즈는 상기 샘플링된 일부를 상기 원거리장 렌즈의 초점면이나 상기 원거리장 렌즈의 초점면 가까이에 위치하는 카메라 쪽으로 지향시키고, 상기 카메라는 상기 원거리장 렌즈의 원거리장에서 상기 다운링크 광빔의 빔 중심점 위치와 빔 직경을 측정함으로써 상기 다운링크 광빔의 중심 방향 부근에서 시간에 걸쳐 상기 다운링크 광빔의 교란으로 인한 발산 및 평균 빔 발산을 측정함 -;
사전 결정된 직경의 단일 횡모드 레이저빔을 상기 원격 송수신기에 전송될 업링크 광신호로서 생성하기 위한 레이저 송신기; 및
메모리 및 I/O 회로를 포함하는 프로세서로서, 상기 원격 송수신기에 전송될 상기 업링크 광신호에 대한 최적 빔 직경 및 빔 방향 각도를 상기 다운링크 광빔의 측정된 교란으로 인한 발산 및 평균 빔 발산에 따라 결정하여, 상기 레이저빔의 직경을 결정된 최적 빔 직경으로 설정하며 상기 레이저빔의 전송 방향을 상기 다운링크 광빔의 측정된 평균 빔 발산으로 설정하는, 프로세서
를 포함하는 광신호 페이딩을 감소시키기 위한 광통신 시스템.
제8항에 있어서,
상기 원격 송수신기는 위성에 위치하는, 광신호 페이딩을 감소시키기 위한 광통신 시스템.
제8항에 있어서,
상기 카메라는 상기 다운링크 광빔의 샘플링된 일부의 각도 특성, 발산, 및 틸트를 측정하기 위해 상기 광빔의 원거리장 평면에 위치하는 전하결합소자(CCD) 카메라인, 광신호 페이딩을 감소시키기 위한 광통신 시스템.
제8항에 있어서,
상기 광통신 시스템은 줌 망원경을 더 포함하고,
상기 프로세서는, 상기 레이저빔의 직경을 상기 결정된 최적 직경으로 설정하기 위해 상기 줌 망원경에 적응형 제어를 적용하는, 광신호 페이딩을 감소시키기 위한 광통신 시스템.
제11항에 있어서,
상기 줌 망원경은 3개의 순차 렌즈(sequential lense)를 포함하고, 상기 렌즈 중 하나 또는 2개는 상기 업링크 광신호의 시준을 유지하면서 상기 인/아웃 짐벌식 망원경의 확대율을 변화시키기 위해 동시에 이동시킬 수 있는, 광신호 페이딩을 감소시키기 위한 광통신 시스템.
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