自适应光学技术在欧美激光通信地面站应用现状

耿天文，雷呈强，高世杰，李亚添，马 爽，李学良，李 林

自适应光学技术在欧美激光通信地面站应用现状

耿天文1，雷呈强2，高世杰1，李亚添1，马 爽1，李学良1，李 林1

（1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 长春 130033 2 北京跟踪与通信技术研究所 北京 100094）

自适应光学技术是提高激光通信地面站单模光纤耦合效率、增加接收信号信噪比、提升激光通信可靠性的一种重要手段。对欧美将自适应光学技术应用于激光通信地面站的情况进行了详细阐述与分析，主要内容包括自适应光学系统的组成、参数和部分实验结果，为激光通信地面站及其自适应光学系统的设计提供有益的参考。

自适应光学；激光通信；地面站

引 言

随着空间技术的发展，星地通信对带宽的需求越来越高，部分应用场合对通信速率的需求已经达到10 Gbps甚至100 Gbps，传统微波通信已经无法满足日益增长的需要。自由空间激光通信技术FSO（Free Space Optics）由于其通信容量大，可满足高带宽的需求，同时还具有体积小、重量轻、功耗低、抗电磁干扰、保密性强等优点，因此自由空间激光通信技术必然成为未来星地通信的关键技术之一，具有广阔的应用前景。但光束在星地链路的传输过程中，受到大气信道的影响，会导致系统的吞吐量降低、可靠性下降以及可用率降低。其中由于大气中云、降水、雾霾等引起的功率严重下降问题可通过合理的选址和地面站优化配置来解决。大气湍流引起的光强闪烁、到达角起伏、相位起伏等现象也会进一步劣化系统性能，需要采取相应的技术进行补偿或抑制。自适应光学技术AO（Adaptive Optics）是目前解决大气湍流引起的波前畸变、提升通信吞吐量和提升系统可用率的关键技术之一。欧美学者在理论和实践方面开展了大量研究，本文对国外带有自适应系统的激光通信地面站进行详细阐述与分析。

1 美国OCTL

光通信望远镜实验室OCTL（Optical Communications Telescope Laboratory）是以一台1 m口径望远镜为核心装置的激光通信实验室，占地面积约200 m2，如图1所示，位于南加州圣盖博山中，站址信息见表1，OCTL的主要指标见表2[1]。OCTL采用库德光路设计，最后一块库德镜可以旋转四个方向，连接不同的后光路可以完成多种功能。OCTL参与了美国星地激光通信的多个项目，其中OPALS（Optical Payload for Lasercomm Science）系统、LCRD（Laser Communications Relay Demonstration）系统均带有自适应系统，下面分别对两个系统进行介绍。

1.1 OPALS

OPALS星载终端于2014年4月安装在国际空间站ISS（International Space Station）上，2014年6月至10月，成功建立星地链路18次，其中一半发生在白天。采用200 μm直径APD作为探测器的直接探测接收方式，接收事先存储于星载终端的视频、文本和遥感数据，通信速率33 Mbps～50 Mbps，链路建立时间大于2 min（链路建立时长受星载端机安装位置和激光安全两方面的限制）。为了更好地利用现有的单模光纤高速通信技术，必须在星地链路实现高效率的单模光纤耦合，因此，2015年，OCTL加装了带有自适应光学的单模光纤接收系统，与ISS进行了下行激光通信实验。带有自适应系统的OPALS地面接收系统是波音公司委托SAIC公司进行开发的[2,3]，原理图如图2所示，图中FSM为快速反射镜，OAP为离轴抛物镜，MM为多模光纤，BS为分光镜，DM为变形镜，SRI为自参考干涉仪波前传感器，LNA为低噪放大器，FBG为光纤布拉格光栅，PD为光电二极管。

自适应光学系统采用的是Boston Micro Machines公司生产的1000单元微机电系统MEMS（Micro- Electro-Mechanical System）变形镜，采用自参考干涉仪SRI（Self-Referencing Interferometer）作为波前传感器，波前传感器中包含了FLIR公司生产的一款InGaAs相机，帧频达到19 kHz，SRI波前传感相比于Shack-Hartmann波前传感的优点是不需要波前重构，波前测量结果可直接作用于变形镜，降低系统延迟。该系统采用模场直径为10.4 μm的SMF-28光纤作为接收，自适应系统在地面做1.6 km的试验时，接收功率为200 nW时可以实现闭环校正。

2015年3月4日（2:54 pm），地面站与国际空间站建链134 s，AO保持闭环状态，俯仰角从20°至60°。AO闭环和开环的远场光斑对比如图3所示，耦合到光纤的功率和斯特列尔比SR（Strehl ratio）在AO闭环状态下随着俯仰角度的变化如图4所示。斯特利尔比平均值为0.6，在开环状态下小于0.02。闭环和开环状态下耦合到光纤的光功率如图5所示，平均功率和功率的起伏都有大幅度减小。

图5 AO系统闭环和开环状态耦合到光纤光功率对比

1.2 LCRD

LCRD项目是为了实现两台地面站通过同步轨道卫星进行激光通信中继传输，同步轨道卫星为 STPSat-6，两台地面站分别为OGS1和OGS2，OGS1为OCTL，OGS2为位于夏威夷的0.6m口径望远镜，该项目也可实现国际空间站通过同步轨道卫星与地面站之间的通信。

美国航空航天局NASA为了满足LCRD项目的需要，在OCTL的库德房内建设了集成光学系统IOS（Integrated Optical System），IOS的自适应系统可同时满足LCRD项目和系外行星观测的需求。IOS部分设计指标见表3。光机布局如图6所示，红色为发射支路，蓝色为AO支路，WFS位于紫色面包板上，剩余的AO系统位于褐色和绿色面包板，发射位于蓝色面包板，大气湍流模拟位于底部。各部分放置于不同的面包板上，目的是方便从实验室搬入库德房。AO系统的波前探测采用Shack-Hartmann传感器，波前探测相机选用的是比利时Xenics公司Cheetah 系列高速InGaAs相机，每个子孔径照亮像元为2×2，帧频为10 kHz。变形镜包括低阶变形镜LODM（Low Order Deformable Mirror）和高阶变形镜HODM（High Order Deformable Mirror），分别用于校正低空间频率大幅度像差和高空间频率小幅度像差，设计主镜直径分布28个促动器，因此，HODM选用的是美国Boston公司32×32 MEMS DM，行程1.5 μm，直径约为1 cm，LODM为12×12 MEMS DM，行程为3.5 μm。

表3 IOS设计指标

自适应控制器是在帕洛马山天文台（Palomar Observatory）中应用的PAL3000基础上进行了升级，进一步降低了延迟。接收光纤安装在6轴定位台，通过耦合入光纤中的光功率进行控制，克服由于温度变化导致的光纤位置漂移[4-6]。

2 欧洲

2.1 法国MéO 望远镜

法国MéO 望远镜利用安装于SOCRATES微小卫星的SOTA终端进行了AO校正实验。MéO 望远镜和SOTA终端如图7所示。该实验是日本信息通信研究机构NICT（National Institute of Information and Communications Technology）和法国空间研究中心CNES（Centre National d’Etudes Spatiales）合作内容的一部分，也是第一个报道的地面与低轨微小卫星进行的激光AO校正实验。位于海拔1 270 m的法国格拉斯的MéO 望远镜的接收直径为1.5 m，发射为独立的195 mm口径，指向精度小于2″，指向重复精度0.1″，最大速度5°/s，其库德光路如图8所示。

此次实验采用的AO系统由法国航空航天研究院设计，如图9所示，但该AO系统不是专门为激光通信研制，之所以采用976 nm下行激光也是为了兼容该AO系统[7]。该系统采用Shack-Hartmann波前传感器，子孔径为8×8，波前传感相机采用的是First Light Imaging公司生产的OCAM2相机，分辨率为240×240。采用的是CILAS公司的88单元变形镜，stroke大小为±5 μm，带宽达到10 kHz。包括两个Tip-Tilt反射镜，一个为了光瞳稳定，带宽为10 Hz，一个为了校正大气湍流引起的倾斜，带宽为2 kHz。校正后光斑图像可通过像素大小为6.5 μm的sCMOS相机记录。该系统由于数值孔径与光纤不匹配，因此不能进行单模光纤耦合。采用Linux系统计算机作为AO控制器，通过简化系统配置、降低算法复杂度等方式来降低系统延迟，在1.45 k帧频时延迟3.3帧，系统延迟较大，0 dB带宽仅为55 Hz，因此需要较好的大气条件才可以工作。

2015年7月21日夜间，与SOTA终端进行了星地试验，共进行了145 s的AO稳定闭环，闭环前后光斑图像如图10所示，右侧放大后图像中的白色圆圈代表单模光纤模场直径，通过光斑图像估算单模光纤耦合效率平均值为8.8%，rms为3%[8-11]。

2.2 ESA Optical Ground Station

欧空局光学地面站ESA Optical Ground Station的设计和建设是欧空局SILEX项目的一部分。其地点位于西班牙的Tenerife岛，海拔2 400 m。装备了1 m口径的R-C Coude望远镜，库德光路长度36.5 m，能够与星载端机进行双向通信并进行系统性能分析，实景图如图11所示[12,13]。

配备的AO系统设计参数见表4，系统框图如图12所示，其中TT为二维高精度平面镜转台（tiptilt mirror），f2位置为定位用的小孔，通信接收部分和波前传感部分WFS（Wavefront Sensor）的分光比例为80:20，WFS为Shack-Hartmann形式，波前传感相机选用的是Xencis公司的Cheetah CL系列相机，子孔径数量为11×11（有效为88单元），视场为9″，相机有效区域为128×128，最高帧频为20 kHz。选用BOSTON公司的140单元（12×12）MEMS DM，stroke为5.5 μm。AO系统实物如图13所示，占用空间大约为A3纸的尺寸，光从中间入射，左侧为WFS，中间下方为DM。系统在r0＞20 cm（1 064 nm）的夜间可获得的斯特利尔比大于70%。图14为在25.8 km水平链路对AO性能进行测试的结果，在AO开环时，光斑为散斑，在AO闭环时，光斑接近理想艾里斑。

表4 ESA OGS AO系统主要设计指标

2.3 TAOGS

TAOGS（Transportable Adaptive Optical Ground Station）是德国TESAT公司和Synopta公司（瑞士激光通信公司，现已被美国收购）受德国宇航中心DLR（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt）委托研制，目的是与TESAT公司生产的第一代和第二代LCT星载终端进行通信[7, 14]。TAOGS可与近地轨道LEO（Low Earth Orbit）卫星和地球同步轨道GEO（Geostationary Orbit）卫星进行通信，通信速率分别为5.625 Gbps和2.812 5 Gbps。TAOGS方舱、粗指向装置、操作方舱内部如图15所示。

TAOGS包括两个粗指向机构CPA270和CPA100，搭配后端直径分别为260 mm和100 mm的望远镜，CPA100只负责发射35 mm或95 mm光束，CPA270主要负责接收，也可发射20 mm和35 mm光束，20 mm、35 mm和95 mm光束发散角分别为33.9 μrad、19.4 μrad和7.1 μrad，两个粗指向装置需要光轴对准然后同步工作。

图18 TAOGS与GEO建链时获得的自适应校正后的光斑

Fig. 18 The corrected light spot by AO when TAOGS and GEO are linked

3 结束语

欧美已经将自适应光学技术应用于1 m以上的大口径激光通信地面站，而且为了提升系统的性能，在26 cm小口径移动式地面站中也应用了自适应光学技术，均取得了较好的实验结果。各系统多数采用了成熟的Shack-Hartmann波前传感方式，并在其他波前传感方式如SRI上做了积极的探索。为了提升激光通信地面站的可用率，必须提升其对抗湍流强度的能力，使其可在白天、低仰角这种严苛条件下工作并保证单模光纤耦合效率，激光通信地面站所采用的自适应光学系统的时间分辨率和空间分辨率比较于成像自适应系统需有较大的提高。欧美已经将激光通信自适应光学技术进行了较为全面的验证，具备了工程化应用的能力。

目前，国内星地激光通信进入高速发展阶段，对带有自适应光学系统的高性能激光通信地面站的需求越来越多，希望本文对欧美激光通信自适应光学技术的综述可以为激光通信地面站的系统设计及自适应光学系统设计提供有益参考。

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A review of the application of adaptive optics technology in European and American laser communication ground stations

GENG Tianwen, LEI Chengqiang, GAO Shijie, LI Yatian, MA Shuang, LI Xueliang, LI Lin

（1. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China;2. Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology, Beijing 100094, China）

Adaptive optics technology (AO) is an important means to improve the single-mode fiber coupling efficiency in the ground stations of the free space optical systems, increase the signal-to-noise ratio (SNR) of received signals, and improve the reliability of laser communication. This paper discusses the application of AO technology to laser communication ground stations employed by both Europe and the United States. Detailed description and analysis are carried out, and the main contents include the composition, parameters and some experimental results of the AO systems. It provides a useful reference for the design of laser communication ground stations and the corresponding AO systems.

Adaptive optics; Laser communication; Ground station

TN929.1;V443+.1

A

CN11-1780(2022)04-0080-09

10.12347/j.ycyk.20220122001

耿天文, 雷呈强, 高世杰, 等.自适应光学技术在欧美激光通信地面站应用现状[J]. 遥测遥控, 2022, 43(4): 80–88.

10.12347/j.ycyk.20220122001

: GENG Tianwen, LEI Chengqiang, GAO Shijie, et al. A review of the application of adaptive optics technology in European and American laser communication ground stations[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(4): 80–88.

13504330079@163.com

2022-01-22

2022-02-08

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

耿天文 1980年生，硕士，副研究员，主要研究方向为激光通信地面站关键技术。

雷呈强 1987年生，博士，助理研究员，主要研究方向为星地激光通信总体技术。

高世杰 1979年生，博士，副研究员，博士生导师，主要研究方向为自由空间激光通信总体技术。

李亚添 1990年生，博士，助理研究员，主要研究方向为激光通信干扰消除与差错纠正技术。

马 爽 1987年生，博士，助理研究员，主要研究方向为激光通信发射系统关键技术。

李学良 1988年生，博士，助理研究员，主要研究方向为激光通信高速信号采集及处理技术。

李 林 1992年生，博士，助理研究员，主要研究方向为激光通信操控系统关键技术。

(本文编辑：杨秀丽)