面向空间激光通信的光束偏转与波前畸变补偿研究

发布时间：2020-09-04 09:52

　　空间激光通信为视线通信,且通信终端之间通常存在相对运动。一方面,光束的瞄准、捕获与跟踪(PAT)需要具备微弧度量级分辨率的光束偏转能力,以减小光束指向损耗;另一方面,当天线表面存在面型误差时,出射光场的波前会产生畸变,劣化光束的指向性,降低天线增益。本文从空间激光通信应用中光束控制的角度,从微弧度量级光束偏转与光束波前控制两个方面开展研究。主要研究内容如下:(1)分析了空间激光通信系统对光束偏转角度控制以及波前畸变的需求,对微弧度量级光束偏转与光束波前控制方案进行了总体方案设计。(2)提出了液晶相控阵(LC-OPA)级联双光栅的方法进行高角度分辨率光束偏转控制,LC-OPA以数十微弧度的角度进行粗偏转,双光栅对该LC-OPA衍射光束进行多级偏转角度压缩,实现微弧度量级的光束偏转控制。数值仿真验证了双光栅装置可以显著压缩光束的偏转角,且光栅常数越大角度压缩率越小,当光束入射角在-43.5mrad到26.8mrad之间时,光束能够在双光栅装置中衍射4次,实验验证了光束在双光栅系统中偏转角分辨率可提高6倍,实现光束的微弧度偏转。(3)基于液晶空间光调制器(LCoS-SLM)设计了可对光学天线同时进行波前探测与波前补偿的方案,研究了基于最小二乘法平面拟合消除倾斜像差算法与基于泽尼克多项式波面拟合消除像差算法以消除相位测量误差。进行了波前畸变探测与补偿实验,对于1550nm光束,通过算法消除额外相位的测量误差,相位峰谷(PV)值从30.1209rad降至2.8241rad,利用LCoS-SLM补偿后的波前畸变RMS值为λ/23。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.1
【部分图文】：

外形图,激光通信,终端系统,卫星

图 1-1 SILEX 激光通信终端系统及搭载卫星外形(a)ARTEMIS；(b)SPOT-4。2005 年，日本卫星 KIRAR（I官方名称为光学轨道间通信工程测试卫星，OICETSSA 的 ARTEMIS 之间成功地实现了双向光链路[6]。2008 年，美国和欧洲建立了 LEO 轨道卫星 Terra SAR-X 和 NFIRE 之间的高速光通信链路，速率高达 5s，总距离为 5500km，这是世界上首次成功利用相干技术进行的高速星间激光通。除此之外，军事领域也有很多令人瞩目的成就和计划。例如火星激光通信演示CD)项目[8]由 NASA 于 2003 年中期发起，旨在初步获取深空光学链路的运行经但之后由于计划变更导致该项目终止。2013 年，美国成功开展了月球激光通信验证(LLCD)[9]，安装在航天器上的激光通信终端 LLST 与地面通信设备成功建双向激光通信链路，实现了月地激光通信，成为世界上通信距离最远的激光通信。LLCD 光学模块如图 1-2 所示。

双向通信,试验效果,激光通信,传输速率

华中科技大学硕士学位论文内空间激光通信研究起步相对较晚，但国家对此非常重视并投入了相财力。我国于 2011 年发射海洋 2 号卫星并通过搭载的 IM-DD 激光通传输速率为 504Mbps，传输距离约为 970km 的星地激光通信，该成果经较好的掌握了星地激光通信双向快速捕获、跟踪和通信技术[10]。20我国发射“墨子”量子卫星，成功开展了在轨星地高速相干激光通信试了 5.12Gbps 的传输速率能力。2017 年，实践十三号（即中星十六号）了高轨卫星对地高速激光双向通信，标志着中国首个 GEO 卫星激光通，同时也是世界上首次 GEO 与地面站直接双向激光高速通讯试验。实高速激光双向通信试验效果图如图 1-3 所示。

空间激光通信,终端,光束

图 1-4 空间激光通信收发终端基本结构图同时，自由空间激光通信为视线通信，且通信终端之间通常存在相对运动光束的捕获、瞄准和跟踪（PAT）需要具备分辨率达到微弧度以上的光束偏以减小光束指向损耗；另一方面，当天线表面存在畸变或者面型误差时，出波前会产生畸变，劣化光束的指向性，降低天线增益。本文从空间激光通信束控制的角度，从微弧度量级光束偏转与光束波前控制两个方面开展研究在空间激光通信光束发散角小、传输距离长的情况下，收发终端对准误差会功率、通信速率产生严重影响，因此空间激光通信对 PAT（瞄准、捕获和跟求非常高，通常跟瞄精度需要达到微弧度乃至纳弧度量级[11-13]。对于精瞄模一般采用电磁振镜、压电陶瓷振镜来实现光束的微小角度偏转。然而振镜属制装置，不可避免的存在机械惯性，需要较大的驱动电压，还需要采用闭环获得较高的位置重复精度。同时它与安装平台之间存在振动耦合，在复杂扰难以实现光束的稳定控制。除机械偏转装置以外，还可利用电控非机械装置

【参考文献】