空间光通信中的自适应光学技术

2019-11-03 18:19:11

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供稿：网友

闻传花李玉权
解放军理工大学通信工程学院光纤通信实验室

　　摘要：随着通信技术的发展，空间光通信必将成为下一代光通信的发展方向之一。本文主要讲述了空间光通信系统中的自适应光学关键技术。

　　关键词：自由空间光通信自适应光学失真波前

引言

　　自适应光学技术是一种具有实时校正光学系统随机误差的新技术，它使光学系统能适应使用条件的变化而保持良好性能，有效解决高分辨率和激光传输光学系统的动态随机干扰问题。采用自适应光学技术进行持续监测可以有效消除监测目标失真，从而提高自由空间光通信的质量。

　　1 fso通信系统

　　当今许多网络运营商们都在寻求不同的方法，使用较低的代价来提高通信传输速率，从而给用户提供宽带的业务。例如，高容量的光网络，比电缆网络提供的带宽要宽得多，且代价较低。固定的宽带无线系统由于频谱的局限要受带宽的限制，而且需要大量资金以取得有限频段的使用权。而在无线光学系统中，自由空间光学系统（FSO）可以在未的光频内传送信息，使用点到点的传送模式实现通信。

　　但FSO系统易受大气环境的影响。设计者们想出许多办法来解决这个问题。一个新的技术——自适应光学（AO），可以恢复光波在通过大气时的光束变形、漂移和光束发散等问题。可以用自适应光学原理来解决FSO通信中的一些问题，根据一些新要求：如真正意义上的速度和协议相互独立的链路，从而使系统在工作窗口中运行的距离很长，带宽很大，无论在什么天气下，都有很高的可靠性。

　　两地之间使用光信号在大气中传送信息已经不算是新技术了。1880年贝尔就发明了第一个光电话机——用光束传声。但“光电话”的通信距离很短，且易受外界噪声的影响，实用价值不大。直到20世纪80年代未期，当激光器和光的调制技术都已成熟时，自由空间光通信才成为现实。美国为了保证航空器与地面卫星及海底之间的通信而使用了FSO系统。商用FSO系统在20世纪90年代才实现，主要是连接建筑物和校园网LANs，还有某些特殊的应用如卫星教育。这些通信一般都是短距离的，对速率要求不高且是户外的装置。此时的FSO系统主要包括光学部分，激光器，接收机和透镜组等。

　　为了满足日益增长的服务需求，许多电信运营商开始转向FSO系统。FSO技术既能提供类似光纤传输的速率，又无需在频谱等其它资源方面有很大的投资；另外，激光技术的进步已经使耐用可靠的器件变得很便宜，大大降低了FSO设备的造价；与光纤线路相比，FSO系统不仅建设周期较短，成本也较低，大约是光纤到大楼成本的1/10到1/3。因此，在目前许多企业和机构都不具备光纤线路，但又需要较高速率（如STM-1或更高）的情况下，FSO不失为一种解决“最后一公里”接入的瓶颈问题的有效途径。

　　FSO系统提供的服务包括：无论在什么天气情况下，远距离通信都会有更强的可靠性;真正意义上的物理层和协议上的独立;载波层有统一的网络单元管理;在工作窗口内能真正地运行;不使用WDM技术时，单信道速率可达10Gbit/s。

　　2 AO提出的背景

　　为了满足市场对速率和协议独立的这种需求，理想的FSO系统运行于物理层，光传输系统把自由空间假想为一根光纤。该系统不再使用协议和速率相互依赖的激光发送和接收机，而是可以随意直接获得来自发送光纤的光，然后放大，在空气中发送，在接收机处捕获，然后聚焦到一个纤芯为9微米的单模接收光纤上去。实际上，因为光束的能量很低，发送的光能量在接收的时候，要达到一个可以接受的SNR，才能进行正常通信。因此，光束在发送时要尽量窄，且准直度要高。

　　在上一代FSO系统中，光束未经准直系统准直就传输了。因此光束在传播后，大气失真导致在接收口径处的“光束漂移”，导致了信号的失真。光束漂移是由大气湍流在发送和接收处非均匀的折射系统导致的，是大气中的温度，压力和风度的综合结果，如图1所示：

图1 由于大气密度不同使发射光束偏离了接收机

　　因为空气中的光速依赖于折射率，这些大气中变化的信息，导致接收机处的光束漂移。部分光束的折射系数会发生变化，因此会和其他的光束的传播速度不同，从而就会发射出失真的均匀波前。这些失真会导致破坏性干扰，产生光斑模型，在接收口径部分称为接收场的起伏如图2所示。

图2 发射失真的光斑模型

　　由图2可以看出，图的左面是在未纠正发射的激光光束时的光斑模型的特征（从发射机来看）。光束通过不同的大气密度时，光斑的强度变化很快。图的右面是有自适应光学时，光束的能量基本上都集中在中心。未纠正的光束还会发生漂移，从而导致链路损耗，但是纠正后的光束就锁定了接收机的目标。

　　折射系数的变化导致了光束在传播过程中的发散，风的变化及来自太阳的非均匀的热膨胀而导致的光束漂移，都会降低集中在中心轴的光束的能量。无论光束怎样漂移以及结构如何变化，到接收机处的光束总会把它们的能量分散成为一个很宽的平面。但使用自适应光学技术以后，就可以保证接收口径处的光束能量总是最高，如图3所示。

图3 有无自适应光学结构的FSO系统光束发散图

　　根据经验，发射光束的发散角为2～6微弧度时，传播1km后，光束直径为2～6m。有自适应光学系统时，光束被高度准直，基本上没有发散。若光束的强度均匀，则在相同的发射功率时，有AO的接收机将会获得6 000-50 000倍的能量。

　　高功率激光器可以克服由光束发散及光斑闪烁导致的接收光强的振动而产生的损耗；采用多个发射光束，可以增加平均接收功率；同时发送多束光有很多好处，光束大多只是物理上的分离，在传播一定的距离且通过相同的大气及相同的光束漂移和光斑闪烁后，光束就会合并；大的光学接收口径，可以捕获更多的光线，从而降低光斑闪烁中的振动；降低通信的链路距离可以简单的避免大气中的损耗。

　　当综合利用以上的这些方法时，就会捕获足够的能量从而产生一个可靠的全光解决方案，而其中的基本问题是：光的波前在大气中传播时会有失真，从而提出了用自适应光学来解决这个问题。

　　3 AO系统

　　许多频率滤波诸如耳机中的噪声是很容易控制的。如在飞行期间，这些耳机工作时会产生一种“反噪声”，即一个相位相反的信号，从而抑制了小信号的噪声。与其类似，AO在工作时也是提供“反噪声”信号，以抑制光束的色差。

　　AO系统是在20世纪50年代未提出的，用在望远镜的次镜中，以每秒自适应变化几次的速度来纠正大气模糊，从而降低图像漂移并改进的图像质量。在70年代和80年代，军事上已大力发展AO系统，用高能量的激光来打击敌人的目标。当先进的军事技术降低了保密级时，天文学家们很快就把这种技术用来消除大气模糊以及银河系中的成像。传统的AO系统是用在世界上最大的望远镜－哈勃望远镜上的。在天文学方面，自1609年伽利略发明了望远镜以来，AO的使用是最具有革命性的发展。

　　AO系统综合使用了一些先进技术，可以消除精密光学器件中光信号的噪声，如波前误差传感器，变形镜以及包括激光器在内的高速控制系统都可以降低光束的损耗。光束首先要通过物镜，然后在一个特制的自适应光学元件－变形镜上反射，产生一个反噪声到入射光束，以此来抑制了入射光束的色差。自适应光学系统组成如图4所示。其中波前误差传感器能实时测量波前误差，并把检测到的波前误差信息传送给控制系统;控制系统的核心是一台高速、大容量的计算机，用于对波前误差信息进行处理，并转换为波前校正器的控制信号;波前校正器，接收来自控制系统的控制信号，从而在光路中改变波前形状，校正波前误差，输出为校正后的光束波前。

　　在测量残留波前误差时，会和变形镜的运动发生延时，因此要求变形镜的运动要快，否则系统只是对过去波前的纠正，而不是即时的波前纠正。所以要求控制系统运行的速度至少一定要比控制的处理过程快10倍。因为大气变化的频率为100Hz，所以变形镜中的控制系统纠正的速度要为1 000Hz或更快。

　　以前军事上和天文上的AO系统都是单向的，只要在光束通过望远镜后变形，或在激光武器的输出光束前变形就可以了。而在一个双向通信系统中，自适应光学系统不但要纠正接收的光束波前，而且同时要预变形输出光束的波前，用以预纠正两个AO单元之间的光路径中已知的色差。预变形来自发射机的光束，以用纠正光束在已知的大气中的变形，从而消除漂移和起伏，所以光束可以锁定它的目标。

　　实践证明，自适应光学技术是一项有效的实用技术。在空间光通信中，光学望远镜的实际分辨率会因某些影响而下降，采用自适应光学技术后可达到望远镜固有的最高分辨率。光通信系统要求将激光能量有效地集中在光学望远镜上，但实际上激光光束到达望远镜前由于各种因素导致光束发散，自适应光学技术提供精确校正这些误差的手段，保证激光光束能量的有效集中。此外，自适应光学技术还可用于提高光学系统的跟踪精度、提高通信系统的光学质量、校正通信中的激光光束等。

　　在有和没有自适应光学时，2km的链路距离的全光通信系统的性能，可以用仿真来比较：没有AO时，系统有很大的信号衰减（约为40dB），接收信号变得很小（见图5a）。而使用AO技术时，信号的损耗在很大程度下降低了，接收机接收到的信号在可以接受的范围内（见图5b）。通过纠正基本的波前失真，系统就可以传送高准直的光束，在接收机处可以捕获到光束，并耦合到9微米的单模光纤的纤芯中去。

　　AO技术的使用，改变了设计FSO系统的趋势，加上大功率的激光器及更精密的光学元件的使用，FSO系统的质量可获得很大的提高。

图5 一个双向2km的FSO系统仿真

　　注：图5（a）一个双向的2km的FSO系统，在未使用AO时，系统的性能情况，此时链路不能运行。因为光束漂移和光斑闪烁使系统的衰减很快就到了35dB。（b）使用AO来补偿光束的漂移和光斑闪烁时，降低了系统的衰减，使该链路可以运行。

　　5 结论

　　AO系统有许多优点，它可以使FSO系统的损耗变得很小。经过双向高度准直后的光束，可以克服光斑闪烁，并以每秒数千次的速度来纠正变形的波前。通过使用AO技术，FSO系统还可以把信息直接传送到用户的单模光纤中，并捕获从接收光纤反射回来的光束，从而FSO系统的链路富余度就可以很高，传送范围也很大，且带宽更宽等许多优点。随着空间光通信技术的发展，AO技术必将成为空间光通信的关键的一项技术。

参考资料

1、季伟,赵长明,陈淑芬.空间光通信系统、技术、现状及展望.通讯世界,2002年第6期,30~34.

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3、C. Roddier, F.Roddier, J.E. Graves, M.J. Northcott, L. Close, J. Surace, & J.P. Veran, Four-year observations of T Tau with adaptive optics ,PResented at the ESO/OSA Topical Meeting on Astronomy with Adaptive Optics (edit. D. Bonaccini, ESO), in Sonthofen (Germany) 1998, Sept. 7-11,

4、Laird Close, Franqois Roddier, Claude Roddier, J.Elon Graves, Malcolm Northcott, & Dan Potter, Astronomical Results from the University of Hawaii Adaptive Optics Program: Astronomical Problems Well Suited to Adaptive Optics Techniques,1998, Proc. SPIE 3353. "Adaptive Optical Systems Technologies" March 23-26, Kona Hawaii ,a general review of scientific results from the AO program at UH

5、M.J. Northcott,the university of Hawai'i adaptive optics system. II computer simulation. in SPIE conference 1991, 1542

　　作者简历：闻传花工学学士，生于1980年，2001年毕业于西安通信学院光纤通信专业。现于解放军理工大学通信工程学院攻读电磁场与微波技术专业硕士学位，从事光通领域的研究工作。

　　李玉权：教授，博士生导师，中国电子学会高级会员，生于 1944 年，1969 年毕业于北京大学物理系，1981年于电子科技大学获工学硕士学位。现在通信工程学院光纤教研室，从事光通信领域的科研和研究生培养工作。

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