下载客户端

光学精密工程|基于投影光瞳分布的星地激光通信波前探测

2024-06-30 13:27

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

▎导读

在星地激光通信系统中，光束经过大气湍流产生波前畸变，激光束发生弥散，导致到靶功率大幅下降。通常需要采用自适应光学系统对波前畸变进行实时补偿，以恢复信号光，降低误码率。然而，由于通信卫星的快速运动，下行激光和上行激光所经历的大气路径是不同的，其夹角称为提前角。提前角过大（即卫星运动过快或湍流太强）时，下行激光测量到的波前畸变与上行激光所经过的大气湍流引起的波前畸变会完全不同，此时自适应光学系统对上行激光的预校正完全无效。

为了解决星地自由空间光学通信系统中的提前角问题，近日，国防科技大学梁永辉教授团队提出了一种基于光强传输的新型波前探测技术——投影光瞳面分布（Projected Pupil Plane Pattern，PPPP），并在《光学精密工程》（EI、Scopus收录，中文核心期刊，《仪器仪表领域高质量科技期刊分级目录》和《光学和光学工程领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”期刊）2024年32卷7期上发表了题为“基于投影光瞳分布的星地激光通信波前探测”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，其测量的大气湍流方向与通信卫星方向一致，因此可以有效解决星地激光通信中的提前角问题。

图1：基于PPPP的星地激光通信中自适应光学系统原理

PPPP的原理是基于强度传输方程TIE，通过不同传输距离下光强分布的演变来反解出波前畸变信息。本文通过实验室实验对PPPP方法进行了验证，实验主要包含三个模块：上行激光束在大气湍流中的传播；对上行激光的两个不同高度的瑞利后向散射光斑的成像；利用Zernike模式法进行相位重构。实验模拟1 m口径地基望远镜，两个传输高度分别为10 km和17 km，采用空间光调制器和透明塑料片作为两组畸变模拟器件。实验结果表明，PPPP和通用的夏克哈特曼波前探测器得到了相似的重构相位，两者的差异约为初始相位的30%。如果进一步扩大地面望远镜的口径，可以有效降低PPPP的非线性效应从而进一步提高其波前探测的准确性。