耿天文，雷呈強(qiáng)，高世杰，李亞添，馬 爽，李學(xué)良，李 林

自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在歐美激光通信地面站應(yīng)用現(xiàn)狀

耿天文1，雷呈強(qiáng)2，高世杰1，李亞添1，馬 爽1，李學(xué)良1，李 林1

（1 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 長(zhǎng)春 130033 2 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所 北京 100094）

自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)是提高激光通信地面站單模光纖耦合效率、增加接收信號(hào)信噪比、提升激光通信可靠性的一種重要手段。對(duì)歐美將自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于激光通信地面站的情況進(jìn)行了詳細(xì)闡述與分析，主要內(nèi)容包括自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的組成、參數(shù)和部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為激光通信地面站及其自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供有益的參考。

自適應(yīng)光學(xué)；激光通信；地面站

引 言

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，星地通信對(duì)帶寬的需求越來(lái)越高，部分應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)通信速率的需求已經(jīng)達(dá)到10 Gbps甚至100 Gbps，傳統(tǒng)微波通信已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的需要。自由空間激光通信技術(shù)FSO（Free Space Optics）由于其通信容量大，可滿(mǎn)足高帶寬的需求，同時(shí)還具有體積小、重量輕、功耗低、抗電磁干擾、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此自由空間激光通信技術(shù)必然成為未來(lái)星地通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。但光束在星地鏈路的傳輸過(guò)程中，受到大氣信道的影響，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的吞吐量降低、可靠性下降以及可用率降低。其中由于大氣中云、降水、霧霾等引起的功率嚴(yán)重下降問(wèn)題可通過(guò)合理的選址和地面站優(yōu)化配置來(lái)解決。大氣湍流引起的光強(qiáng)閃爍、到達(dá)角起伏、相位起伏等現(xiàn)象也會(huì)進(jìn)一步劣化系統(tǒng)性能，需要采取相應(yīng)的技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償或抑制。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)AO（Adaptive Optics）是目前解決大氣湍流引起的波前畸變、提升通信吞吐量和提升系統(tǒng)可用率的關(guān)鍵技術(shù)之一。歐美學(xué)者在理論和實(shí)踐方面開(kāi)展了大量研究，本文對(duì)國(guó)外帶有自適應(yīng)系統(tǒng)的激光通信地面站進(jìn)行詳細(xì)闡述與分析。

1 美國(guó)OCTL

光通信望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)室OCTL（Optical Communications Telescope Laboratory）是以一臺(tái)1 m口徑望遠(yuǎn)鏡為核心裝置的激光通信實(shí)驗(yàn)室，占地面積約200 m2，如圖1所示，位于南加州圣蓋博山中，站址信息見(jiàn)表1，OCTL的主要指標(biāo)見(jiàn)表2[1]。OCTL采用庫(kù)德光路設(shè)計(jì)，最后一塊庫(kù)德鏡可以旋轉(zhuǎn)四個(gè)方向，連接不同的后光路可以完成多種功能。OCTL參與了美國(guó)星地激光通信的多個(gè)項(xiàng)目，其中OPALS（Optical Payload for Lasercomm Science）系統(tǒng)、LCRD（Laser Communications Relay Demonstration）系統(tǒng)均帶有自適應(yīng)系統(tǒng)，下面分別對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1.1 OPALS

OPALS星載終端于2014年4月安裝在國(guó)際空間站ISS（International Space Station）上，2014年6月至10月，成功建立星地鏈路18次，其中一半發(fā)生在白天。采用200 μm直徑APD作為探測(cè)器的直接探測(cè)接收方式，接收事先存儲(chǔ)于星載終端的視頻、文本和遙感數(shù)據(jù)，通信速率33 Mbps～50 Mbps，鏈路建立時(shí)間大于2 min（鏈路建立時(shí)長(zhǎng)受星載端機(jī)安裝位置和激光安全兩方面的限制）。為了更好地利用現(xiàn)有的單模光纖高速通信技術(shù)，必須在星地鏈路實(shí)現(xiàn)高效率的單模光纖耦合，因此，2015年，OCTL加裝了帶有自適應(yīng)光學(xué)的單模光纖接收系統(tǒng)，與ISS進(jìn)行了下行激光通信實(shí)驗(yàn)。帶有自適應(yīng)系統(tǒng)的OPALS地面接收系統(tǒng)是波音公司委托SAIC公司進(jìn)行開(kāi)發(fā)的[2,3]，原理圖如圖2所示，圖中FSM為快速反射鏡，OAP為離軸拋物鏡，MM為多模光纖，BS為分光鏡，DM為變形鏡，SRI為自參考干涉儀波前傳感器，LNA為低噪放大器，F(xiàn)BG為光纖布拉格光柵，PD為光電二極管。

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)采用的是Boston Micro Machines公司生產(chǎn)的1000單元微機(jī)電系統(tǒng)MEMS（Micro- Electro-Mechanical System）變形鏡，采用自參考干涉儀SRI（Self-Referencing Interferometer）作為波前傳感器，波前傳感器中包含了FLIR公司生產(chǎn)的一款I(lǐng)nGaAs相機(jī)，幀頻達(dá)到19 kHz，SRI波前傳感相比于Shack-Hartmann波前傳感的優(yōu)點(diǎn)是不需要波前重構(gòu)，波前測(cè)量結(jié)果可直接作用于變形鏡，降低系統(tǒng)延遲。該系統(tǒng)采用模場(chǎng)直徑為10.4 μm的SMF-28光纖作為接收，自適應(yīng)系統(tǒng)在地面做1.6 km的試驗(yàn)時(shí)，接收功率為200 nW時(shí)可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)校正。

2015年3月4日（2:54 pm），地面站與國(guó)際空間站建鏈134 s，AO保持閉環(huán)狀態(tài)，俯仰角從20°至60°。AO閉環(huán)和開(kāi)環(huán)的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑對(duì)比如圖3所示，耦合到光纖的功率和斯特列爾比SR（Strehl ratio）在AO閉環(huán)狀態(tài)下隨著俯仰角度的變化如圖4所示。斯特利爾比平均值為0.6，在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下小于0.02。閉環(huán)和開(kāi)環(huán)狀態(tài)下耦合到光纖的光功率如圖5所示，平均功率和功率的起伏都有大幅度減小。

圖5 AO系統(tǒng)閉環(huán)和開(kāi)環(huán)狀態(tài)耦合到光纖光功率對(duì)比

1.2 LCRD

LCRD項(xiàng)目是為了實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)地面站通過(guò)同步軌道衛(wèi)星進(jìn)行激光通信中繼傳輸，同步軌道衛(wèi)星為 STPSat-6，兩臺(tái)地面站分別為OGS1和OGS2，OGS1為OCTL，OGS2為位于夏威夷的0.6m口徑望遠(yuǎn)鏡，該項(xiàng)目也可實(shí)現(xiàn)國(guó)際空間站通過(guò)同步軌道衛(wèi)星與地面站之間的通信。

美國(guó)航空航天局NASA為了滿(mǎn)足LCRD項(xiàng)目的需要，在OCTL的庫(kù)德房?jī)?nèi)建設(shè)了集成光學(xué)系統(tǒng)IOS（Integrated Optical System），IOS的自適應(yīng)系統(tǒng)可同時(shí)滿(mǎn)足LCRD項(xiàng)目和系外行星觀(guān)測(cè)的需求。IOS部分設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表3。光機(jī)布局如圖6所示，紅色為發(fā)射支路，藍(lán)色為AO支路，WFS位于紫色面包板上，剩余的AO系統(tǒng)位于褐色和綠色面包板，發(fā)射位于藍(lán)色面包板，大氣湍流模擬位于底部。各部分放置于不同的面包板上，目的是方便從實(shí)驗(yàn)室搬入庫(kù)德房。AO系統(tǒng)的波前探測(cè)采用Shack-Hartmann傳感器，波前探測(cè)相機(jī)選用的是比利時(shí)Xenics公司Cheetah 系列高速I(mǎi)nGaAs相機(jī)，每個(gè)子孔徑照亮像元為2×2，幀頻為10 kHz。變形鏡包括低階變形鏡LODM（Low Order Deformable Mirror）和高階變形鏡HODM（High Order Deformable Mirror），分別用于校正低空間頻率大幅度像差和高空間頻率小幅度像差，設(shè)計(jì)主鏡直徑分布28個(gè)促動(dòng)器，因此，HODM選用的是美國(guó)Boston公司32×32 MEMS DM，行程1.5 μm，直徑約為1 cm，LODM為12×12 MEMS DM，行程為3.5 μm。

表3 IOS設(shè)計(jì)指標(biāo)

自適應(yīng)控制器是在帕洛馬山天文臺(tái)（Palomar Observatory）中應(yīng)用的PAL3000基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)，進(jìn)一步降低了延遲。接收光纖安裝在6軸定位臺(tái)，通過(guò)耦合入光纖中的光功率進(jìn)行控制，克服由于溫度變化導(dǎo)致的光纖位置漂移[4-6]。

2 歐洲

2.1 法國(guó)MéO 望遠(yuǎn)鏡

法國(guó)MéO 望遠(yuǎn)鏡利用安裝于SOCRATES微小衛(wèi)星的SOTA終端進(jìn)行了AO校正實(shí)驗(yàn)。MéO 望遠(yuǎn)鏡和SOTA終端如圖7所示。該實(shí)驗(yàn)是日本信息通信研究機(jī)構(gòu)NICT（National Institute of Information and Communications Technology）和法國(guó)空間研究中心CNES（Centre National d’Etudes Spatiales）合作內(nèi)容的一部分，也是第一個(gè)報(bào)道的地面與低軌微小衛(wèi)星進(jìn)行的激光AO校正實(shí)驗(yàn)。位于海拔1 270 m的法國(guó)格拉斯的MéO 望遠(yuǎn)鏡的接收直徑為1.5 m，發(fā)射為獨(dú)立的195 mm口徑，指向精度小于2″，指向重復(fù)精度0.1″，最大速度5°/s，其庫(kù)德光路如圖8所示。

此次實(shí)驗(yàn)采用的AO系統(tǒng)由法國(guó)航空航天研究院設(shè)計(jì)，如圖9所示，但該AO系統(tǒng)不是專(zhuān)門(mén)為激光通信研制，之所以采用976 nm下行激光也是為了兼容該AO系統(tǒng)[7]。該系統(tǒng)采用Shack-Hartmann波前傳感器，子孔徑為8×8，波前傳感相機(jī)采用的是First Light Imaging公司生產(chǎn)的OCAM2相機(jī)，分辨率為240×240。采用的是CILAS公司的88單元變形鏡，stroke大小為±5 μm，帶寬達(dá)到10 kHz。包括兩個(gè)Tip-Tilt反射鏡，一個(gè)為了光瞳穩(wěn)定，帶寬為10 Hz，一個(gè)為了校正大氣湍流引起的傾斜，帶寬為2 kHz。校正后光斑圖像可通過(guò)像素大小為6.5 μm的sCMOS相機(jī)記錄。該系統(tǒng)由于數(shù)值孔徑與光纖不匹配，因此不能進(jìn)行單模光纖耦合。采用Linux系統(tǒng)計(jì)算機(jī)作為AO控制器，通過(guò)簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置、降低算法復(fù)雜度等方式來(lái)降低系統(tǒng)延遲，在1.45 k幀頻時(shí)延遲3.3幀，系統(tǒng)延遲較大，0 dB帶寬僅為55 Hz，因此需要較好的大氣條件才可以工作。

2015年7月21日夜間，與SOTA終端進(jìn)行了星地試驗(yàn)，共進(jìn)行了145 s的AO穩(wěn)定閉環(huán)，閉環(huán)前后光斑圖像如圖10所示，右側(cè)放大后圖像中的白色圓圈代表單模光纖模場(chǎng)直徑，通過(guò)光斑圖像估算單模光纖耦合效率平均值為8.8%，rms為3%[8-11]。

2.2 ESA Optical Ground Station

歐空局光學(xué)地面站ESA Optical Ground Station的設(shè)計(jì)和建設(shè)是歐空局SILEX項(xiàng)目的一部分。其地點(diǎn)位于西班牙的Tenerife島，海拔2 400 m。裝備了1 m口徑的R-C Coude望遠(yuǎn)鏡，庫(kù)德光路長(zhǎng)度36.5 m，能夠與星載端機(jī)進(jìn)行雙向通信并進(jìn)行系統(tǒng)性能分析，實(shí)景圖如圖11所示[12,13]。

配備的AO系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4，系統(tǒng)框圖如圖12所示，其中TT為二維高精度平面鏡轉(zhuǎn)臺(tái)（tiptilt mirror），f2位置為定位用的小孔，通信接收部分和波前傳感部分WFS（Wavefront Sensor）的分光比例為80:20，WFS為Shack-Hartmann形式，波前傳感相機(jī)選用的是Xencis公司的Cheetah CL系列相機(jī)，子孔徑數(shù)量為11×11（有效為88單元），視場(chǎng)為9″，相機(jī)有效區(qū)域?yàn)?28×128，最高幀頻為20 kHz。選用BOSTON公司的140單元（12×12）MEMS DM，stroke為5.5 μm。AO系統(tǒng)實(shí)物如圖13所示，占用空間大約為A3紙的尺寸，光從中間入射，左側(cè)為WFS，中間下方為DM。系統(tǒng)在r0＞20 cm（1 064 nm）的夜間可獲得的斯特利爾比大于70%。圖14為在25.8 km水平鏈路對(duì)AO性能進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果，在AO開(kāi)環(huán)時(shí)，光斑為散斑，在AO閉環(huán)時(shí)，光斑接近理想艾里斑。

表4 ESA OGS AO系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.3 TAOGS

TAOGS（Transportable Adaptive Optical Ground Station）是德國(guó)TESAT公司和Synopta公司（瑞士激光通信公司，現(xiàn)已被美國(guó)收購(gòu)）受德國(guó)宇航中心DLR（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt）委托研制，目的是與TESAT公司生產(chǎn)的第一代和第二代LCT星載終端進(jìn)行通信[7, 14]。TAOGS可與近地軌道LEO（Low Earth Orbit）衛(wèi)星和地球同步軌道GEO（Geostationary Orbit）衛(wèi)星進(jìn)行通信，通信速率分別為5.625 Gbps和2.812 5 Gbps。TAOGS方艙、粗指向裝置、操作方艙內(nèi)部如圖15所示。

TAOGS包括兩個(gè)粗指向機(jī)構(gòu)CPA270和CPA100，搭配后端直徑分別為260 mm和100 mm的望遠(yuǎn)鏡，CPA100只負(fù)責(zé)發(fā)射35 mm或95 mm光束，CPA270主要負(fù)責(zé)接收，也可發(fā)射20 mm和35 mm光束，20 mm、35 mm和95 mm光束發(fā)散角分別為33.9 μrad、19.4 μrad和7.1 μrad，兩個(gè)粗指向裝置需要光軸對(duì)準(zhǔn)然后同步工作。

圖18 TAOGS與GEO建鏈時(shí)獲得的自適應(yīng)校正后的光斑

Fig. 18 The corrected light spot by AO when TAOGS and GEO are linked

3 結(jié)束語(yǔ)

歐美已經(jīng)將自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于1 m以上的大口徑激光通信地面站，而且為了提升系統(tǒng)的性能，在26 cm小口徑移動(dòng)式地面站中也應(yīng)用了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，均取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。各系統(tǒng)多數(shù)采用了成熟的Shack-Hartmann波前傳感方式，并在其他波前傳感方式如SRI上做了積極的探索。為了提升激光通信地面站的可用率，必須提升其對(duì)抗湍流強(qiáng)度的能力，使其可在白天、低仰角這種嚴(yán)苛條件下工作并保證單模光纖耦合效率，激光通信地面站所采用的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的時(shí)間分辨率和空間分辨率比較于成像自適應(yīng)系統(tǒng)需有較大的提高。歐美已經(jīng)將激光通信自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)進(jìn)行了較為全面的驗(yàn)證，具備了工程化應(yīng)用的能力。

目前，國(guó)內(nèi)星地激光通信進(jìn)入高速發(fā)展階段，對(duì)帶有自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的高性能激光通信地面站的需求越來(lái)越多，希望本文對(duì)歐美激光通信自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的綜述可以為激光通信地面站的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有益參考。

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A review of the application of adaptive optics technology in European and American laser communication ground stations

GENG Tianwen, LEI Chengqiang, GAO Shijie, LI Yatian, MA Shuang, LI Xueliang, LI Lin

（1. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China;2. Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology, Beijing 100094, China）

Adaptive optics technology (AO) is an important means to improve the single-mode fiber coupling efficiency in the ground stations of the free space optical systems, increase the signal-to-noise ratio (SNR) of received signals, and improve the reliability of laser communication. This paper discusses the application of AO technology to laser communication ground stations employed by both Europe and the United States. Detailed description and analysis are carried out, and the main contents include the composition, parameters and some experimental results of the AO systems. It provides a useful reference for the design of laser communication ground stations and the corresponding AO systems.

Adaptive optics; Laser communication; Ground station

TN929.1;V443+.1

A

CN11-1780(2022)04-0080-09

10.12347/j.ycyk.20220122001

耿天文, 雷呈強(qiáng), 高世杰, 等.自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在歐美激光通信地面站應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 遙測(cè)遙控, 2022, 43(4): 80–88.

10.12347/j.ycyk.20220122001

: GENG Tianwen, LEI Chengqiang, GAO Shijie, et al. A review of the application of adaptive optics technology in European and American laser communication ground stations[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(4): 80–88.

13504330079@163.com

2022-01-22

2022-02-08

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

耿天文 1980年生，碩士，副研究員，主要研究方向?yàn)榧す馔ㄐ诺孛嬲娟P(guān)鍵技術(shù)。

雷呈強(qiáng) 1987年生，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)樾堑丶す馔ㄐ趴傮w技術(shù)。

高世杰 1979年生，博士，副研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樽杂煽臻g激光通信總體技術(shù)。

李亞添 1990年生，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)榧す馔ㄐ鸥蓴_消除與差錯(cuò)糾正技術(shù)。

馬 爽 1987年生，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)榧す馔ㄐ虐l(fā)射系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

李學(xué)良 1988年生，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)榧す馔ㄐ鸥咚傩盘?hào)采集及處理技術(shù)。

李 林 1992年生，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)榧す馔ㄐ挪倏叵到y(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

(本文編輯：楊秀麗)