本发明专利技术公开了一种基于自适应光学技术提高空间相干光通信质量的装置，包括望远镜模块、波前校正器、分光元件、相干接收模块、波前探测器、波前处理器、数模转换器、高压放大器。本装置通过自适应光学技术校正大气湍流的影响，使得激光通信接收端可以在不增加波前误差的情况下使用更大口径的接收望远镜，从而提高接收功率。自适应光学系统通过补偿大气湍流引起的随机动态波前像差和系统固有的静态波前像差，进而有效提高信号激光与本振激光的相位匹配程度，使得混频效率得到提高，最终达到提高信噪比、降低误码率的目的。
【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应光学技术提高空间相干光通信质量的装置
本专利技术涉及一种基于自适应光学(Adaptive Optics,简称A0)技术提高空间相干光通信质量的装置，它可通过AO系统的实时波前校正，减小进入相干接收模块的信号光的空间波前误差，从而提高空间相干光通信系统的通信质量。
技术介绍
与传统的微波通信相比，用激光作为信息载体的空间激光通信频率高，空间和时间相干性好，发射波束窄，因此具有码率高、通信容量大、天线尺寸小、功耗低、体积小和保密性高等优点，是解决微波通信瓶颈，构建天基宽带网，实现全球高速、实时通信的有效手段，具有很大的民用和军事应用潜力。 空间激光通信按接收方式可分为非相干通信和相干通信两种。但是，不论从实际的工程实现情况还是从理论的分析结果均可看出，采用强度调制/直接探测(頂/DD)的非相干通信体制对抗背景光干扰性能弱，在真正的自由空间环境下无法达到或接近探测灵敏度极限，不足以充分获得激光载波所带来的宽带优势。 而相干通信体制采用本振激光与经过大气湍流的信号激光进行干涉混频，然后再提取数据信息(如图1所示)。该方式带来的最大优点是不受热噪声的限制，能达到或接近散粒噪声极限的接收灵敏度。同时由于采用相干接收机制，使得系统具有非常强的抗背景噪声干扰性能。这些特点使得空间相干通信特别适合于传输码率在数个或数十个Gbps、传输距离在数万千米的空间激光通信。 作为空间光通信发展的关键，大气通信链路的建立是必不可少的一环，它是连接卫星光网络和地面光网络的纽带，是实现全球天地一体光网络的关键技术之一。不幸的是，激光信号在大气中传输时不仅会发生信号的衰减，而且大气湍流引起的折射率随机起伏将导致传输激光强度、相位和传输方向的随机波动，这些效应将使传输激光的相干性退化，严重降低光束的传输质量。 抑制大气湍流影响的办法有多种，现有的解决方案在提高通信质量的同时，存在着各自的问题:大功率发射方案的功率受限；大孔径接收方案的尺寸受限；非相干多孔径发射方案的等效发射口径有限，且不太适用于相干调制的通信体制。 自适应光学技术是为解决大气湍流问题而产生和发展起来的一门学科，目前已经成为天文成像领域必不可少的关键技术。自适应光学系统通常包括波前探测器、波前校正器和波前控制器等部分。自适应光学系统的工作原理是:通过波前传感器对动态光学波前像差进行实时精确的探测，然后进行控制运算得到波前校正器的控制电压，完成对所探测波前误差的闭环补偿，从而抑制大气湍流等随机波前像差效应对各种光学成像系统和激光传输系统的影响。 迄今为止，自适应光学已经成功在非相干通信系统中得到应用，其工作原理如图2所示。在理论分析和仿真方面，主要是以美国的Tyson为主研究了各种湍流条件下，自适应光学技术对空间光通信系统的误码率的改进能力。结果表明，自适应光学技术的使用在中弱大气湍流情况下改进作用很明显，可以使通信系统的误码率提高几个数量级[RobertK Tyson, Bit—error rate for free-space adaptive optics laser communicat1ns.J.0pt.Soc.Am.A, 2002.19(4): p.753-758.]。实验方面，日本邮政省通信研究室(CRL)于1999年采用自适应光学技术进行了地面站与国际空间站之间的激光通信演示实验，结果表明安装在地面站的自适应光学系统可以在很大程度上改进下行链路中的耦合效率和抑制上行链路中的光束漂移，提高通信质量[KH Kudielka, Y.Hayano, ff.Klaus, K.Araki,Y.Arimoto, J.Uchida.Low-order adaptive optics system for free-spacelasercom:design and performance analysis, in Proc.2nd Internat1nal workshopon adaptive optics for industry and medicine, Singapore.2000.]。美国劳伦斯一里弗莫尔国家实验室(LLNL)于2002年采用自适应光学技术进行了近地面斜程28.2km光通信数值模拟实验，在中等湍流条件下，自适应光学系统校正后耦合效率从20%提高到55%，增加了 2.5 倍[S.C.Wilks, J.R.Morris, J.M.Brase, S.S.0livier, J.R.Henderson, C.A.Thompson, M.ff.Kartz, AJ Rugger1.Modeling of adaptive optics-based free-spacecommunicat1ns systems, in Internat1nal Symposium on Optical Science andTechnology.2002.1nternat1nal Society for Optics and Photonics.]。可以看出，无论是理论分析还是实验研究，都得出了自适应光学系统可以有效校正湍流的影响，提高通信系统的性能。 然而，受限于非相干通信本身的通信机制，自适应光学对通信性能的改进同样也受到限制。为了更加充分发挥自适应光学的效能，空间光通信研究人员已经开始探讨并计划把自适应光学系统引入到相干通信系统中[Mark Gregory, Frank Heine, HartmutKampfner, Robert Lange, Coherent inter-satellite and satellite-ground laserlinks.Proc.0f SPIE, 2011.7923:p.792303.]。通过这种强强联合的方式，既能充分发挥自适应光学校正大气湍流扰动的优势，又能发挥相干激光通信抗干扰强、接收灵敏度高的优势，最终实现在各种湍流条件下的长距离、高码率、高性能的大气激光通信。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决大气湍流对空间相干光通信性能的影响，而提出的一种基于AO技术提高空间相干光通信质量的装置。 本专利技术是通过下述技术方案实现的:一种基于自适应光学技术提高空间相干光通信质量的装置，包括望远镜模块、波前校正器、分光元件、相干接收模块、波前探测器、波前处理器、数模转换器和高压放大器；望远镜模块、波前校正器、分光元件、相干接收模块依次安放在信号光的入射方向上；分光兀件把入射激光分成两部分，一部分进入相干接收模块，一部分进入波前探测器；波前探测器、波前处理器、数模转换器、高压放大器、波前校正器依次通过数据线连接；望远镜模块实现对信号激光的捕获跟踪瞄准以及对光信号进行收集的功能；波前校正器实现对信号激光的畸变波前的补偿校正；相干接收模块实现对接收到的信号激光进行相干解调；波前探测器实现对残余波前误差的探测，并把探测信息传递给波前处理器进行数据处理，处理算法采用直接斜率法或模式法；波前处理器把处理完成的数据传递给数模转化器，以完成数模转换，并传递给高压放大器；高压放大器对信号进行放大以后传递给波前校正器实现对畸变波前的校正。 进一步的，该装置还包括整体倾斜波前校正器，其通过数据线本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于自适应光学技术提高空间相干光通信质量的装置，其特征在于：包括望远镜模块(1)、波前校正器(2)、分光元件(3)、相干接收模块(4)、波前探测器(5)、波前处理器(6)、数模转换器(7)和高压放大器(8)；望远镜模块(1)、波前校正器(2)、分光元件(3)、相干接收模块(4)依次安放在信号光的入射方向上；分光元件把入射激光分成两部分，一部分进入相干接收模块(4)，一部分进入波前探测器(5)；波前探测器(5)、波前处理器(6)、数模转换器(7)、高压放大器(8)、波前校正器(2)依次通过数据线连接；望远镜模块(1)实现对信号激光的捕获跟踪瞄准以及对光信号进行收集的功能；波前校正器(2)实现对信号激光的畸变波前的补偿校正；相干接收模块(4)实现对接收到的信号激光进行相干解调；波前探测器(5)实现对残余波前误差的探测，并把探测信息传递给波前处理器(6)进行数据处理；波前处理器(6)把处理完成的数据传递给数模转化器(7)，以完成数模转换，并传递给高压放大器(8)；高压放大器(8)对信号进行放大以后传递给波前校正器(2)实现对畸变波前的校正。
【技术特征摘要】
1.一种基于自适应光学技术提高空间相干光通信质量的装置，其特征在于:包括望远镜模块(I)、波前校正器(2)、分光元件(3)、相干接收模块(4)、波前探测器(5)、波前处理器(6)、数模转换器(7)和高压放大器(8);望远镜模块(I)、波前校正器(2)、分光元件(3)、相干接收模块(4)依次安放在信号光的入射方向上；分光兀件把入射激光分成两部分，一部分进入相干接收模块(4)，一部分进入波前探测器(5);波前探测器(5)、波前处理器(6)、数模转换器(7)、高压放大器(8)、波前校正器(2)依次通过数据线连接；望远镜模块(I)实现对信号激光的捕获跟踪瞄准以及对光信号进行收集的功能；波前校正器(2)实现对信号激光的畸变波前的补偿校正；相干接收模块(4)实现对接收到的信号激光进行相干解调；波前探测器(5)实现对残余波前误差的探测，并把探测信息传递给波前处理器(6)进行数据处理；波前处理器(6)把处理完成的数据传递给数模转化器(7)，以完成数模转换，并传递给高压放大器(8);高压放大器(8)对信号进行放大以后传递给波前校正器(2)实现对畸变波前的校正。2.根据权利要求1所述的基于自适应光学技术提高空...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘超，鲜浩，李斌，陈莫，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51
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