光學(xué)精密工程|基于投影光瞳分布的星地激光通信波前探測

▎導(dǎo)讀

在星地激光通信系統(tǒng)中，光束經(jīng)過大氣湍流產(chǎn)生波前畸變，激光束發(fā)生彌散，導(dǎo)致到靶功率大幅下降。通常需要采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對波前畸變進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，以恢復(fù)信號光，降低誤碼率。然而，由于通信衛(wèi)星的快速運(yùn)動(dòng)，下行激光和上行激光所經(jīng)歷的大氣路徑是不同的，其夾角稱為提前角。提前角過大（即衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)過快或湍流太強(qiáng)）時(shí)，下行激光測量到的波前畸變與上行激光所經(jīng)過的大氣湍流引起的波前畸變會(huì)完全不同，此時(shí)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對上行激光的預(yù)校正完全無效。

為了解決星地自由空間光學(xué)通信系統(tǒng)中的提前角問題，近日，國防科技大學(xué)梁永輝教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于光強(qiáng)傳輸?shù)男滦筒ㄇ疤綔y技術(shù)——投影光瞳面分布（Projected Pupil Plane Pattern，PPPP），并在《光學(xué) 精密工程》（EI、Scopus收錄，中文核心期刊，《儀器儀表領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級目錄》和《光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級目錄》“T1級”期刊）2024年32卷7期上發(fā)表了題為“基于投影光瞳分布的星地激光通信波前探測”的封面文章。

▎正文

由于PPPP采用的是上行通信激光本身的后向瑞利散射，其測量的大氣湍流方向與通信衛(wèi)星方向一致，因此可以有效解決星地激光通信中的提前角問題。

圖1：基于PPPP的星地激光通信中自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)原理

PPPP的原理是基于強(qiáng)度傳輸方程TIE，通過不同傳輸距離下光強(qiáng)分布的演變來反解出波前畸變信息。本文通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)對PPPP方法進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)主要包含三個(gè)模塊：上行激光束在大氣湍流中的傳播；對上行激光的兩個(gè)不同高度的瑞利后向散射光斑的成像；利用Zernike模式法進(jìn)行相位重構(gòu)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M1 m口徑地基望遠(yuǎn)鏡，兩個(gè)傳輸高度分別為10 km和17 km，采用空間光調(diào)制器和透明塑料片作為兩組畸變模擬器件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PPPP和通用的夏克哈特曼波前探測器得到了相似的重構(gòu)相位，兩者的差異約為初始相位的30%。如果進(jìn)一步擴(kuò)大地面望遠(yuǎn)鏡的口徑，可以有效降低PPPP的非線性效應(yīng)從而進(jìn)一步提高其波前探測的準(zhǔn)確性。

圖2：實(shí)驗(yàn)裝置及測量結(jié)果

本文采用的基于投影光瞳面分布的新型波前探測技術(shù)不僅可以用于解決星地激光通信中的提前角問題，還可以擴(kuò)展到任意“湍流”介質(zhì)引起的波前畸變的快速測量，僅通過兩個(gè)不同傳輸距離下的散射光信號就可以探測引起其光斑變化的畸變信號，不需采用額外的導(dǎo)星，結(jié)構(gòu)簡單，探測精度高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

▎論文信息

楊慧哲,張貞鈺,劉進(jìn)等.基于投影光瞳分布的星地激光通信波前探測[J].光學(xué)精密工程,2024,32(07):945-955. 

https://dx.doi.org/10.37188/OPE.20243207.0945