黃永梅，李宏偉，賀 東，王 強(qiáng)，郭弘揚(yáng)，王子豪，唐 薇

深度學(xué)習(xí)技術(shù)在空間激光通信中的應(yīng)用

黃永梅1,2,3，李宏偉4，賀 東1,2,3，王 強(qiáng)1,2,3，郭弘揚(yáng)1,2,3，王子豪1,2,3，唐 薇1,2,3

（1 中國(guó)科學(xué)院光束控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610209 2 中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所 成都 610209 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049 4 南通大學(xué)智能信息技術(shù)研究中心 南通 226019）

與射頻通信相比，空間激光通信具有傳輸速率高、保密性能強(qiáng)、終端功耗低等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為當(dāng)前通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。同時(shí)，空間激光通信也面臨著一些嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，如大氣湍流導(dǎo)致空間激光通信的信道情況十分復(fù)雜，復(fù)雜的信道會(huì)引發(fā)信號(hào)光強(qiáng)度起伏劇烈，信標(biāo)光跟蹤與瞄準(zhǔn)困難，接收端的信號(hào)光場(chǎng)波前畸變嚴(yán)重等。為了提升空間激光通信在復(fù)雜信道環(huán)境中的性能，學(xué)者們將深度學(xué)習(xí)技術(shù)引入到空間激光通信系統(tǒng)中。多項(xiàng)研究表明，深度學(xué)習(xí)在空間激光通信的諸多方面表現(xiàn)出了優(yōu)越的信息處理能力。對(duì)近年來(lái)深度學(xué)習(xí)技術(shù)在空間激光通信信號(hào)處理與檢測(cè)，信標(biāo)光捕獲與跟蹤以及波前畸變探測(cè)與校正等方面的應(yīng)用做一全面梳理，并對(duì)用于空間激光通信的深度學(xué)習(xí)技術(shù)的前景進(jìn)行展望。

空間激光通信；深度學(xué)習(xí)；信號(hào)處理；光斑；波前畸變

引 言

與射頻通信相比，空間激光通信具有傳輸速率快、能量效率高、抗干擾與保密性能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，受到國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者和工程技術(shù)人員越來(lái)越多的重視，現(xiàn)已成為當(dāng)今通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。空間激光通信鏈路覆蓋范圍很廣，其終端可以搭載到衛(wèi)星平臺(tái)、空中機(jī)載平臺(tái)、地面固定或移動(dòng)平臺(tái)以及水上船載平臺(tái)上，空間激光通信有望成為空天地海一體化通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[1-3]。

近幾年，空間激光通信技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，以新型探測(cè)器為代表的激光通信元器件的性能有了明顯的提升[4]，先進(jìn)的調(diào)制方式和用于相干探測(cè)的信號(hào)處理算法不斷涌現(xiàn)[5,6]。然而，目前實(shí)用型的空間激光通信系統(tǒng)多處于實(shí)驗(yàn)階段，一些小規(guī)模的應(yīng)用多存在于軍用領(lǐng)域和星間通信場(chǎng)合，近地空間激光通信系統(tǒng)依然沒有得到大規(guī)模商用。這主要源于空間激光通信還存在一些技術(shù)難點(diǎn)，如：在大氣湍流的影響下，光信號(hào)的強(qiáng)度起伏難于抑制[7,8]，光場(chǎng)波前畸變的探測(cè)與校正存在困難[9]等。一方面，空間激光通信系統(tǒng)需要新的信息處理算法和新的體系結(jié)構(gòu)，來(lái)克服諸如大氣湍流等不利因素帶來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)自身的技術(shù)進(jìn)步，以適應(yīng)更高的傳輸速率與更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。另一方面，以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)正在以前所未有的速度和廣度向多個(gè)領(lǐng)域滲透，并發(fā)揮了巨大作用。很多依靠傳統(tǒng)方法難以解決或無(wú)法解決的問(wèn)題，在深度學(xué)習(xí)技術(shù)的推動(dòng)下迎刃而解[10]。并且，深度學(xué)習(xí)技術(shù)，在射頻無(wú)線通信領(lǐng)域有了很多成功運(yùn)用的先例，無(wú)論在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化還是物理層的信號(hào)處理與檢測(cè)方面[11,12]，深度學(xué)習(xí)技術(shù)都發(fā)揮了積極的作用，這也為空間激光通信提供了可靠的技術(shù)借鑒。以上兩點(diǎn)原因共同促成了深度學(xué)習(xí)技術(shù)與空間激光通信相結(jié)合的可能性與必要性。

本文將從通信信號(hào)處理與檢測(cè)、信標(biāo)光跟蹤與瞄準(zhǔn)、波前畸變探測(cè)與校正等幾個(gè)方面，總結(jié)深度學(xué)習(xí)技術(shù)在空間激光通信中的應(yīng)用。如無(wú)特殊說(shuō)明，本文中的空間激光通信指的是自由空間激光通信；在本文中，“深度學(xué)習(xí)方法”與“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法”也不做嚴(yán)格區(qū)分。

1 深度學(xué)習(xí)在通信信號(hào)處理與檢測(cè)中的應(yīng)用

本文所定義的通信信號(hào)有兩個(gè)特征：其一，通信信號(hào)是攜帶被傳輸信息的信號(hào)；其二，對(duì)該信號(hào)處理與檢測(cè)的目的是恢復(fù)自身攜帶的原始信息。定義通信信號(hào)的目的是為了將其與信標(biāo)光信號(hào)和用于探測(cè)光場(chǎng)波前的信號(hào)區(qū)別開來(lái)。

1.1 深度學(xué)習(xí)用于信道估計(jì)

與射頻無(wú)線通信類似，空間激光通信獲取必要的信道狀態(tài)，并在信號(hào)判決之前移除信道對(duì)信號(hào)的影響，這可以保證空間激光通信系統(tǒng)的可靠性，提升通信系統(tǒng)的性能。這里分別以平坦衰落信道的信道增益估計(jì)和頻率選擇性信道估計(jì)與均衡為例，說(shuō)明深度學(xué)習(xí)在空間激光通信信道估計(jì)中的應(yīng)用。

1.1.1 深度學(xué)習(xí)在平坦衰落信道估計(jì)中的應(yīng)用

經(jīng)歷平坦衰落的信號(hào)一般可以用如下模型描述：設(shè)空間激光通信發(fā)射端發(fā)出的信號(hào)為，接收端接收到的信號(hào)為，且滿足

式中，I為信道增益，n為高斯白噪聲，受大氣湍流的影響，接收端接收到的信號(hào)光強(qiáng)是隨機(jī)起伏的。根據(jù)光強(qiáng)閃爍的統(tǒng)計(jì)特征，可以用Gamma-Gamma模型、負(fù)指數(shù)模型、對(duì)數(shù)正態(tài)模型來(lái)描述光強(qiáng)分布，信道估計(jì)的對(duì)象便是隨機(jī)起伏的信道增益I。文獻(xiàn)[13]，以Gamma-Gamma光強(qiáng)閃爍信道為背景，采用正交振幅QAM（Quadrature Amplitude Modulation）調(diào)制方式，在接收端，信號(hào)分成同相通路I0和正交通路Q0輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，如圖1所示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去除信道影響之后，再將同相通路I1和正交通路Q1這兩路信號(hào)輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)信道信息的估計(jì)結(jié)果與實(shí)際的信道信息十分接近。

1.1.2 深度學(xué)習(xí)在頻率選擇性信道估計(jì)中的應(yīng)用

在大氣信道中存在多種不同尺寸的微粒，很多微粒對(duì)激光具有散射作用，多次散射使得激光脈沖在時(shí)域上出現(xiàn)展寬效應(yīng)。這與射頻無(wú)線通信中的多徑效應(yīng)和光纖通信中的色散效應(yīng)類似，信道呈現(xiàn)出頻率選擇性，當(dāng)數(shù)據(jù)帶寬足夠高時(shí)，會(huì)發(fā)生碼間干擾[14,15]。另有研究表明：大氣湍流也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的時(shí)域展寬出現(xiàn)頻率選擇性衰落[16]。頻率選擇性信道的估計(jì)與均衡是個(gè)典型的反卷積問(wèn)題，解決此問(wèn)題的一個(gè)有效途徑是用FIR濾波器去除碼間干擾[17]。其基本思想是：定義一個(gè)代價(jià)函數(shù)，通過(guò)訓(xùn)練碼的多次迭代，使代價(jià)函數(shù)取得最值，此時(shí)濾波器的抽頭系數(shù)即為最佳參數(shù)。通過(guò)訓(xùn)練碼求取FIR濾波器抽頭系數(shù)的過(guò)程與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過(guò)程，在機(jī)理上十分相似，所以用深度學(xué)習(xí)方法估計(jì)信道具有很強(qiáng)的可行性，并且多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)擬合能力更強(qiáng)。在空間激光通信領(lǐng)域，對(duì)通信脈沖展寬機(jī)理的研究較多，而對(duì)信道估計(jì)與均衡的算法研究較少。在射頻無(wú)線通信、可見光無(wú)線通信以及光纖通信領(lǐng)域，信道均衡是一個(gè)至關(guān)重要的研究?jī)?nèi)容，有很多文獻(xiàn)致力于將深度學(xué)習(xí)用于解決信道均衡問(wèn)題[18,19]，這些方法可以為空間激光通信提供有益的參考，甚至可以將這些方法移植到空間激光通信系統(tǒng)中去。

圖2 用于信道估計(jì)的自編碼器

1.2 深度學(xué)習(xí)用于信號(hào)檢測(cè)

無(wú)論是直接探測(cè)體制還是相干探測(cè)體制，信號(hào)檢測(cè)都是一個(gè)典型的分類問(wèn)題，這恰好是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擅長(zhǎng)解決的問(wèn)題。文獻(xiàn)[20]同樣采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，如圖3（a）所示，該研究以QAM調(diào)制為背景，信號(hào)分同相和正交兩路，輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與QAM星座點(diǎn)個(gè)數(shù)相同。

文獻(xiàn)[21]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于空間激光通信系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)。如圖3（b）所示，該網(wǎng)絡(luò)以Softmax函數(shù)為激活函數(shù)，并在接收端省去了信道估計(jì)模塊，使接收機(jī)的計(jì)算量明顯小于基于極大似然估計(jì)的信號(hào)檢測(cè)算法。圖中和分別代表未經(jīng)信道均衡和經(jīng)過(guò)信號(hào)檢測(cè)之后的信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在可靠的信道信息輔助下，該檢測(cè)方法效果可以逼近極大似然估計(jì)算法。

由于大氣湍流的作用，接收機(jī)接收到的信號(hào)光強(qiáng)是變化的。特別是在強(qiáng)湍流情況下，光強(qiáng)的變化幅度很大[22]，如果將判決閾值設(shè)定為一個(gè)固定值，勢(shì)必會(huì)引起更高的誤碼率。因此，根據(jù)當(dāng)前環(huán)境，自適應(yīng)調(diào)整判決閾值顯得十分必要[23]。這種動(dòng)態(tài)變化的自適應(yīng)閾值可以通過(guò)信道估計(jì)來(lái)確定，也可以通過(guò)信息位數(shù)積分的辦法進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。有學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到判決閾值的實(shí)時(shí)更新過(guò)程中[24]，理論仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)都表明，這種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的判決閾值調(diào)整方案，可以使激光通信系統(tǒng)逼近理想的誤碼率性能。

1.3 深度學(xué)習(xí)用于軌道角動(dòng)量識(shí)別

軌道角動(dòng)量OAM（Orbital Angular Momentum）作為一個(gè)可攜帶信息的空間維度，給空間激光通信增加了一個(gè)新的信息傳輸與分集復(fù)用方式。目前采用OAM維度進(jìn)行信息傳輸，是空間激光通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，最近幾年涌現(xiàn)出了大量有關(guān)OAM通信的研究文獻(xiàn)[25-30]。從廣義上講，OAM識(shí)別也屬于信號(hào)檢測(cè)的范疇，由于識(shí)別OAM的原理與1.2節(jié)中的信號(hào)檢測(cè)區(qū)別較大，所以給予單獨(dú)討論。一個(gè)典型的使用OAM模態(tài)進(jìn)行信息傳輸，且使用深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行OAM模式識(shí)別的空間激光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示[31]。

圖4 基于OAM的空間激光通信系統(tǒng)

2 深度學(xué)習(xí)用于信標(biāo)光的捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)

由于激光的方向性強(qiáng)，波束窄，所以空間激光通信與無(wú)線射頻通信和無(wú)線可見激光通信相比，有一個(gè)顯著的不同點(diǎn)，即空間激光通信系統(tǒng)需要對(duì)信標(biāo)光進(jìn)行捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)ATP（Acquisition, Tracking and Pointing）[34]，以保證鏈路暢通。多數(shù)ATP系統(tǒng)都是一個(gè)成像跟蹤控制系統(tǒng)[35-37]，其工作原理如圖5所示。

圖5 用于空間激光通信的成像跟蹤系統(tǒng)

在接收端，配備一個(gè)圖像傳感器（如CCD），該圖像傳感器對(duì)接收到的信標(biāo)光光斑進(jìn)行成像，若傳感器上的光斑圖像質(zhì)心位于指定位置，則認(rèn)為通信系統(tǒng)兩個(gè)終端處于對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)，若光斑圖像質(zhì)心未落在圖像傳感器的指定位置，則需要調(diào)整接收望遠(yuǎn)鏡的口徑朝向和快速反射鏡的姿態(tài)，使信標(biāo)光光斑圖像回歸指定位置，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)控制過(guò)程。要實(shí)現(xiàn)對(duì)信標(biāo)光的跟蹤瞄準(zhǔn)，首先需要對(duì)信標(biāo)光光斑的質(zhì)心位置進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，但大氣湍流會(huì)對(duì)光斑的成像質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，見表1。

表1 不同湍流強(qiáng)度時(shí)的信標(biāo)光圖像特征

從表中可以看出，在弱湍流情況下，提取光斑質(zhì)心，計(jì)算其所在位置并不困難。然而，當(dāng)大氣湍流強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，由于光斑破碎、形狀不定、光強(qiáng)分布不均勻等原因，此時(shí)對(duì)光斑質(zhì)心進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤難度加大，而且跟蹤精度難以保證。

于是，有學(xué)者提出，將深度學(xué)習(xí)方法引入到光斑位置的預(yù)測(cè)問(wèn)題中[38]。具體思路如圖6所示，將光斑圖像作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括五個(gè)卷積層、三個(gè)全連接層和一個(gè)長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)LSTM（Long-Short Term Memory）。每個(gè)卷積層都包含一個(gè)卷積亞層、池化亞層、偏置系數(shù)與激活函數(shù)。為了保證網(wǎng)絡(luò)收斂速度和擬合精度，除了第三個(gè)卷積層采用雙曲正切函數(shù)（tanh）作為激活函數(shù)之外，其余卷積層的激活函數(shù)均為線性整流函數(shù)（ReLU）。五個(gè)卷積層的作用是提取光斑圖像的特征，這些特征既包括每幅圖像的光斑位置信息，又包含前后兩幀圖像之間的時(shí)域關(guān)聯(lián)性信息（像素運(yùn)動(dòng)特征）。五個(gè)卷積層的輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)三個(gè)全連接層處理后，轉(zhuǎn)化為一個(gè)四維向量。這個(gè)四維向量輸入到長(zhǎng)LSTM，該網(wǎng)絡(luò)根據(jù)光斑的時(shí)間關(guān)聯(lián)性信息，擬合出光斑質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡方程。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸出便是光斑質(zhì)心位置的預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖6 信標(biāo)光光斑位置預(yù)測(cè)系統(tǒng)

3 深度學(xué)習(xí)用于波前畸變的感知與校正

在激光通信系統(tǒng)中，激光光束在大氣信道中受到大氣湍流的作用，接收端接收到的信號(hào)光場(chǎng)存在波前畸變，特別是采用大口徑望遠(yuǎn)鏡接收光信號(hào)時(shí)，波前畸變尤為明顯[39]。波前畸變對(duì)于通信系統(tǒng)的性能影響是多方面的，此處僅舉出兩個(gè)重要的影響。第一，波前畸變嚴(yán)重影響空間光進(jìn)入光纖的耦合效率[40]。望遠(yuǎn)鏡接收到的空間光一般要經(jīng)過(guò)縮束、準(zhǔn)直、聚焦等過(guò)程，進(jìn)入光纖中進(jìn)行處理。波前畸變使得光場(chǎng)難于聚焦，導(dǎo)致光耦合效率降低，最終影響通信系統(tǒng)的信噪比。第二，若激光通信系統(tǒng)采用相干接收體制，波前畸變會(huì)導(dǎo)致光場(chǎng)相位混亂，難于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的相干混頻[41]。因此，波前畸變的校正對(duì)于通信系統(tǒng)，尤其是采用大口徑接收和相干探測(cè)體制的空間激光通信系統(tǒng)十分重要。

對(duì)波前畸變進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)與校正的系統(tǒng)稱為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，按照對(duì)波前畸變感知的不同方式，本文將自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)分為常規(guī)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)和無(wú)波前探測(cè)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。常規(guī)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)指的是使用專門的波前傳感器（如哈特曼傳感器）將波前畸變探測(cè)出來(lái)，然后利用校正裝置（如變形鏡）去除波前畸變。無(wú)波前探測(cè)指的是不使用專門的波前傳感器，只利用圖像傳感器上的光強(qiáng)分布信息，便可解算出波前畸變。深度學(xué)習(xí)在上述兩種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中都有著廣泛的應(yīng)用[42,43]。

3.1 深度學(xué)習(xí)在常規(guī)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用

早在1996年，便有學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于哈特曼傳感器的質(zhì)心檢測(cè)[44]。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層共16個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于哈特曼傳感器每個(gè)孔徑的4×4個(gè)像素，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出便是光斑質(zhì)心的坐標(biāo)，這是一個(gè)典型的回歸問(wèn)題。2014年，有南美學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于產(chǎn)生拉長(zhǎng)效應(yīng)的子孔徑光斑質(zhì)心檢測(cè)[45]。此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層有256個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于每個(gè)子孔徑16×16個(gè)像素，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出也是質(zhì)心的坐標(biāo)。解決回歸問(wèn)題的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與解決分類問(wèn)題的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，收斂速度較慢。2018年，中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所的李自強(qiáng)等人設(shè)計(jì)了一款用于質(zhì)心檢測(cè)的新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[46]，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層共有625個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于每個(gè)子孔徑的25×25個(gè)像素點(diǎn)，輸出層也有625節(jié)點(diǎn)，將質(zhì)心檢測(cè)的回歸型問(wèn)題轉(zhuǎn)化為Softmax多分類問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)了在強(qiáng)光干擾和低信噪比下使用哈特曼傳感器進(jìn)行高精度質(zhì)心檢測(cè)。

3.2 深度學(xué)習(xí)在無(wú)波前探測(cè)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用

與上文光斑位置預(yù)測(cè)問(wèn)題類似，用深度學(xué)習(xí)技術(shù)通過(guò)圖像傳感器的光強(qiáng)分布獲取光場(chǎng)波前畸變信息的基本架構(gòu)是將圖像傳感器獲取的光強(qiáng)分布圖像作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出為Zernike系數(shù)。用到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型主要有卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等。2019年，有日本學(xué)者將經(jīng)過(guò)處理的單幅光強(qiáng)圖像輸入到Xception卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中[47]，得到了32階Zernike系數(shù)。為了提升波前畸變的探測(cè)速率，同年，北京郵電大學(xué)的相關(guān)學(xué)者，用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)波前探測(cè)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)控制器的核心，有效提升了控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度[48]。2020年，Vera等人采用WFnet型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[49]，該網(wǎng)絡(luò)可以節(jié)省大量的運(yùn)算開銷，其波前探測(cè)的更新速度可以達(dá)到1×103Hz以上。為了避免卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)梯度消失和飽和問(wèn)題，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所的相關(guān)學(xué)者采用長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)來(lái)探測(cè)點(diǎn)目標(biāo)和擴(kuò)展目標(biāo)的波前信息，也取得了良好的效果[50]。

以上基于深度學(xué)習(xí)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)雖多以光學(xué)觀測(cè)為應(yīng)用背景，但也為空間激光通信的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)提供了有益的參考與借鑒。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以空間激光通信系統(tǒng)為應(yīng)用背景，總結(jié)了深度學(xué)習(xí)方法在激光通信系統(tǒng)中的信號(hào)處理與檢測(cè)、信標(biāo)光跟蹤瞄準(zhǔn)、波前畸變探測(cè)與校正等方面的應(yīng)用。諸多研究結(jié)果表明，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在上述領(lǐng)域均能發(fā)揮積極作用，甚至在多個(gè)場(chǎng)合解決了傳統(tǒng)方法難以解決的問(wèn)題。但是，目前用于空間激光通信系統(tǒng)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)還有一些不完善之處，需要進(jìn)一步提高和改進(jìn)。

①實(shí)時(shí)性有待改善

激光通信的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)就是數(shù)據(jù)傳輸速率高，然而在有些場(chǎng)合，基于深度學(xué)習(xí)方法的通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度遠(yuǎn)落后于數(shù)據(jù)傳輸速度。比如，在很多情況下，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)激光通信的軌道角動(dòng)量識(shí)別需要在事后進(jìn)行，這樣的處理速度讓激光通信的高速率優(yōu)勢(shì)大打折扣。

②準(zhǔn)確性有待提高

這里仍以基于OAM的通信體制為例。在文獻(xiàn)[32]中，經(jīng)過(guò)20次訓(xùn)練后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)軌道角動(dòng)量模態(tài)的正確識(shí)別率為96%量級(jí)；在文獻(xiàn)[33]中，軌道角動(dòng)量模態(tài)的正確識(shí)別率為99%量級(jí)，在文獻(xiàn)[25]中，對(duì)軌道角動(dòng)量模態(tài)的最高識(shí)別率為99.8%量級(jí)，這些通信系統(tǒng)的誤碼率都在10–3以上，這是難以滿足實(shí)際工程需求的。

③應(yīng)用范圍有待拓展

現(xiàn)有的實(shí)際空間激光通信系統(tǒng)多為點(diǎn)到點(diǎn)通信系統(tǒng)，隨著通信系統(tǒng)復(fù)雜化與網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的推進(jìn)，深度學(xué)習(xí)有望為復(fù)雜系統(tǒng)的資源分配問(wèn)題與鏈路優(yōu)化問(wèn)題提供解決方案。如多中繼協(xié)同通信中的中繼節(jié)點(diǎn)選擇問(wèn)題、射頻激光混合鏈路中的鏈路切換問(wèn)題、多用戶接入的資源分配問(wèn)題等場(chǎng)合都需要大量復(fù)雜的優(yōu)化計(jì)算，深度學(xué)習(xí)有望為這些場(chǎng)景提供有益的優(yōu)化方案。

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Application of deep learning technology in free space laser communication

HUANG Yongmei1,2,3, LI Hongwei4, HE Dong1,2,3, WANG Qiang1,2,3, GUO Hongyang1,2,3, WANG Zihao1,2,3, TANG Wei1,2,3

（1. Key Laboratory of Optical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China;2. Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4. Nantong University Research Center for Intelligent Information Technology, Nantong 226019, China）

To compare with radio communication, free space laser communication is owning to higher data rate, higher security and less power dissipation, has become one of the research hotspot. However, the performance of free space laser communication is limited to some factors, such as signal fluctuation, the difficulties of tracking and pointing mechanism, and the wavefront aberration caused by atmosphere turbulence. In order to improve the performance in complex environment, the deep learning method is introduced to free space laser communication. Various studies have shown that the deep learning method can process signal with obvious advantages in many aspects of free space laser communication. This paper makes a review of the deep learning method used for free space laser communication signal processing and detection, the tracking and pointing mechanism, and wavefront aberration detection and correction. Finally, the prospect of deep learning technology for FSOC is prospected.

Free space laser communication; Deep learning; Signal processing; Beacon image; Wavefront aberration

V443+.1

A

CN11-1780(2022)04-0089-08

10.12347/j.ycyk.20220411001

黃永梅, 李宏偉, 賀東, 等.深度學(xué)習(xí)技術(shù)在空間激光通信中的應(yīng)用[J]. 遙測(cè)遙控, 2022, 43(4): 89–96.

10.12347/j.ycyk.20220411001

: HUANG Yongmei, LI Hongwei, HE Dong, et al. Application of deep learning technology in space laser communication[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(4): 89–96.

2022-04-11

2022-06-09

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

黃永梅 1969年生，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榭臻g激光通信與智能控制。

李宏偉 1985年生，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榭臻g激光通信和信號(hào)處理。

賀 東 1983年生，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榭臻g激光通信和信號(hào)處理。

王 強(qiáng) 1975年生，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣怆姼櫹到y(tǒng)的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

郭弘揚(yáng) 1993年生，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)榭臻g激光通信與圖像智能檢測(cè)。

王子豪 1998年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)槟：龍D像檢測(cè)和復(fù)原。

唐 微 1998年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)橥h(yuǎn)鏡失調(diào)檢測(cè)和校正。

(本文編輯：潘三英)