“自适应光学校正”对激光通信系统性能的影响与研究

1960年美国物理学家梅曼发明了世界上第一台激光器，激光的出现开启了通信行业的新篇章。激光通信是以激光作为信息载体进行通信，激光光束单色性好、高能量、以及出色的相干性和方向性，使得激光通信具有高速率，保密性高的优势。

1966年高锟首次提出当玻璃纤维的衰减率低于 20dB/km时，可实现光纤通信，并提出高纯度的石英玻璃制造的光纤可用于光通信，激光光束可在光纤中实现长距离传播，石英光纤的发明极大的推动了激光通信行业的发展，光纤通信网络的建设深彻改变着人们的生活。

激光和纤维实验

空间激光通信

空间激光通信相比于光纤通信具有成本低，施工简单，易于组网等优点，在不利于光缆施工的环境中空间激光通信优势明显，如在星间链路和在复杂地理环境下的通信可以选择采用空间光通信。

当激光光束在大气信道中传输时，受大气湍流的影响，激光光束的波前会出现波前畸变，由于大气湍流的不稳定性，波前畸变的大小也随时间变化，不同通信链路，不同时间所出现的波前畸变也不同。

畸变光束的补偿技术成为了空间光通信技术发展的瓶颈。

波前畸变

AO技术作为一种主动光学技术，能够对大气湍流扰动所造成的波前畸变进行实时测量和校正，极大的提高光学系统性能。自适应光学技术所研究的内容，就是如何传输一束无畸变的光束，与第一代自适应光学系统相比，诸如微机械变形镜和噪声极低的探测器等许多器件正在这一领域引发一场革命。

尽管其工作原理在本质上没什么变化，但是所用器件的复杂性却发生了巨大变化。自适应光学系统的工作性能提高，表现在对畸变波前校正精度的提高和系统控制带宽的提高，使得自适应光学系统在可以中、强湍流环境下对畸变波前进行校正。

自适应光学系统模型示意图

为了研究自适应光学校正对激光通信性能的影响，就需要从大气湍流的特点出发，详细说明大气相干长度、折射率结构常数、大气湍流格林伍德频率等概念，给出大气湍流数学模型，从理论上分析了自适应光学校正对通信系统误码率和通信系统耦合效率的影响，可用干指导自适应光学系统的设计工作。

大气湍流理论是自适应光学技术的理论基础，以弗里德为代表的科学家，提出了大气湍流的物理模型，提出了大气相干长度、格林伍德频率、等晕角等参数。

在使用自适应光学时，实际大气的复杂程度超出了确定性预测或数值分析的能力。所以湍流理论是基于统计分析建立起来的，采用统计学来描述大气湍流，这种方式产生了大量非常实用的理论和标度律来描述总体属性的平均效应，例如光束总漂移、光束扩散等。

大气湍流对激光通信的影响

自适应光学校正对空间激光通信系统的影响分析

自适应光学系统最初的应用是在观测成像领域。随后，由于硬件的升级和自适应光学技术研究的深入，自适应光学技术逐渐应用于空间激光通信系统。

自适应光学校正对空间激光通信系统的影响主要表现在；自适应光学系统可以对通信光束波前畸变进行校正，提高系统耦合效率、提高信噪比，降低误码率。

接下来就分析自适应光学校正和空间激光通信系统耦合效率的关系，以及自适应光学校正和误码率的关系。

自由空间激光通信技术可以进一步完善通信网络建设。在解决“最后一公里”通信的问题上，空间激光通信优势明显。下一代空间激光通信的一个重要因素是必须采用光纤技术。

为了实现更高的链路能力和更长的链路距离，需要光纤光学组件，如发送和接收模块、掺铒光纤放大器和多路复用单元。在这样的系统中，接收到的信号光束必须耦合到单模光纤，然后才被放大和检测。

自适应光学研究进展

单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在 100 Mbps 的以太网和1G千兆网，单模光纤都可支持超过5000m的传输距离，采用单模光纤耦合时，单模光纤耦合效率是激光通信系统中的重要参数。它决定了可以检测到的光功率，从而决定该通信系统是否满足通信要求。

然而，在大气湍流中传播会严重降低信号波束的空间相干性，降低单模光纤耦合效率。因此，如何提高单模光纤耦合效率已成为高速自由空间光通信的关键技术之一。

自适应光学技术能够主动探测波前畸变，并对畸变波前实时补偿，克服大气湍流对激光信号的影响，能够提高激光通信系统的耦合效率，在中长距离、高速率的激光通信系统中，自适应光学技术具有举足轻重的地位。

畸变光束经自适应光学系统校正后，校正光束经耦合透镜在单模光纤端面处形成一个艾里斑，如图为空间光到单模光纤耦合系统模型，冬中ω为艾里斑半径、w为单模光纤模场半径。

耦合效率n定义为耦合入单模光纤的光功率与接收端焦平面上的光功率之比，根据模场匹配原理，单模光纤的高斯模场与艾里斑模场匹配最好时耦合效率最大。

激光通信系统最终的评价标准是误码率，误码率受接收口径处光功率、探测器灵敏度和耦合效率的影响。

为了实现可接受的通信性能(BER

但在中、弱湍流环境下，校正35项泽尼克项就可以满足通信要求，因为城市水平链路湍流强度较大，所以自适应需至少校正35项泽尼克项，才有可能实现长距离城市水平链路的激光通信。

泽尼克多项式

对于激光通信系统，实际应用时还要考虑平台震动特性、噪声等对系统通信的影响。由于外界环境的干扰，聚焦光斑与单模光纤间仍然存在随机偏移误差。

同时，对于空间光束耦合系统，总是伴随着耦合损耗严重、光强闪烁、光束漂移等一系列问题，主要原因可以分为静态对准误差和随机抖动误差:静态对准误差时由于热效应、机械平台装调误差、光束角度偏差等因素的影响，使得耦合过程中存在各种对准误差，造成光纤耦合效率严重下降。

随机抖动误差是由于空间通信平台的震动、跟踪系统的噪声、光束漂移等都会造成聚焦光斑相对单模光纤产生随机偏移，耦合损耗严重。所以在实际耦合效率分析时还要对通信系统平台振动特性、各器件控制精度、器件损耗等进行考量。不能单以理论分析结果为准。

激光通信系统最终的评价标准是误码率，误码率受接收口径处光功率、探测器灵敏度和耦合效率的影响。

JPL空间激光通信自适应校正示意图

自适应光学系统参数特点

自适应光学系统应用在城市水平链路下，由于近地大气湍流环境复杂，要实现近地水平链路下长时间的空间光通信，这就要求所设计的自适应光学系统要在中强湍流下正常工作，要对现有的自适应光学技术参数量化分析，综合考虑多方面因素来约束自适应光学系统的参数。

如大气湍流变化，探测器件噪声影响、波前探测误差、采集卡数据处理能力等因素，选取满足条件的波前探测器和波前校正器，优化控制系统算法，提高畸变波前校正精度和系统闭环带宽。同时自应光学系统需采用闭环控制的方法来提高波前校正的精度。

自适应光学系统由波前探测器、波前校正器和波前控制器组成。

现有的自适应光学技术已成功应用于天文成像领域，其参数要求和使用方法已趋于成熟；而自适应光学技术在空间光通信系统中的应用还处于摸索和积累经验的阶段，鲜有成功的案例，但许多研究者已对该领域存在的问题进行了理论和实验分析，包括探测器的选择，校正器的参数要求等。

自适应光学技术

自适应光学系统可对光京波前畸变进行校正，这些波前畸变由大气湍流，光学制造和装配失调、以及非线性的热效应等所产生。最小化这些效应一直就是研制任何光学系统一开始就需要考虑的。

而自适应所研究的内容时如何对这些扰动进行实施补偿。

为了施加实时校正，自适应光学系统需要足够高的空间分辨率和探测速度来测量波前。和在光学检测中对相位测量不同的是:光学检测中，相位可以以很慢的速度来测量和重构。

而自适应光学系统中的波前传感器需要实时工作，在某种情况下，需要实时测量2 us这样短的单脉冲的波前，同时，对自适应光学波前传感器的空间分辨率的要求也非常高，而且对于这要高的分辨率还要求多个通道并行测量。

对自适应光学波前传感器的另一要求是能够在变化的光强下进行测量。

结论

对很多应用来说，例如透过大气成像来分辨穿过大气的目标时，自适应光学系统会探测到很强的光强变化。这就要求波前探测器在光强变化的同时进行波前探测。