面向空间激光通信的光束偏转与波前畸变补偿机制研究

高 辉，赵学阳

(哈尔滨石油学院，黑龙江 哈尔滨 150028)

0 引言

在网络信息时代背景下，空间激光通信产业以及相关技术快速发展，民众对通信的需求也不断增加[1]。空间激光通信自身技术存在的问题以及运行环境的影响，导致通信终端存在相对运动，影响其实际效果。当天线表面存在面型误差时，出射光场的波前位置将出现畸变现象，导致光束的指向性受到影响，形成劣质化的指向，减少增益[2-3]。本文注重面向空间激光通信的光束偏转与波前畸变补偿机制研究，探究空间激光通信发生畸变的机理，分析相关的测试技术和补偿技术，尽量减少畸变带来的影响，提升其运行服务能力。

1 光束角度偏转分析

1.1 光束角度偏转技术

光束角度偏转的技术较多，当前常用的技术主要为机械式光束偏转和非机械式光束偏转两种模式。

1.1.1 机械式光束偏转技术

机械式光束偏转技术导致的偏转实现，主要装置为万向节、快速反射镜和Risley棱镜，属于发生偏转的主要设备[4]。其中，万向节可以完成自转，促使与之接触的探测器转动，致使光束或者视轴发生偏转，但万向节受到自身形状和重量的影响，不能满足较高重复性和稳定性的光束偏转需求[5]。快速反射镜能够借助制动器调整反射镜角度，致使入射光束产生偏转效应，其精准性较强，适用于微弧度量级。Risley棱镜需要对不同级联的棱镜实施旋转，且数量为2个或者3个，改变投射光束的折射方向，传输方向也因此发生变化，实现片状，其精度较高，适用于大角度光束偏转。

1.1.2 非机械式光束偏转技术

相比而言，非机械式光束偏转不需要借助机械转动的力量来实现偏转，所使用的仪器形状较小，便于搬运，具有便捷性特点。非机械式光束偏转技术的设备主要为声光偏转器、电光偏转器、液晶光学相控阵。其中，声光偏转器和电光偏转器主要借助声光效应和电光效应对材料折射实施约束，使其折射率随之变化，产生相位光栅，影响入射光束，发生偏转，其偏转角难以分辨。液晶光学相控阵需要通过电压变化建立锯齿形状的相位模型，产生光栅，影响入射光的方向，产生偏转。通过试验验证，其分辨率相对较低，难以达到精度要求。

1.2 光束角度偏转影响因素及评价

1.2.1 影响因素

根据上述的光束偏转技术分析，不同技术的优缺点各有不同。影响偏转的因素主要包括以下3个方面：(1)偏转技术选择。不同偏转技术的原理、设备、效果皆各有不同，因此相关单位应提高重视，保证技术选择合理，满足实际所需。(2)光线来源。光束偏转受到光线来源的影响，影响因素主要包括光线的强弱、方向、明暗等。因此，科研人员需要加强对光线源的分析。(3)偏转发生的条件。不同光束偏转发生的条件各有不同，例如障碍物、空气湿度、杂质含量等皆会对偏转效果产生影响。因此，在进行相关实验时，科研人员应注重环境控制。

1.2.2 评价标准

不同的光束偏转技术，其效果也不同。在选择时，科研人员应对分辨率、精准度、可操作性、适应性等方面进行分析，综合考量，得出最终结果，保证光束偏转方案达到预期目标。在分辨率方面，光束偏转技术应适应高角度分辨率的光束偏转，分辨率越高，适应性越强。在精准度方面，应提升光束偏转技术的精准度，保证偏转与实际需求之间的差距“最小”。在操作性方面，应保证光束偏转所使用的仪器和设备便于携带和操作，尽量减少其体量，形状规整。在适应性方面，尽量降低其对环境的要求，消除环境带来的影响。

1.3 光束角度偏转方案设计

根据以上研究，LC-OPA更适用于空间激光通信系统小型化、轻量化、低能耗的要求。但是，通过LC-OPA装置实现光束偏转时，角度分辨率较低，限制了其使用范围。为了解决这一问题，将LC-OPA与角度压缩性能较强的光学装置级联在一起，实施光束偏转角的压缩处理，增加分辨率。例如使用双光栅结构，与LC-OPA实施级联，分辨率较高，压缩效果较好。这一模式是对光束偏角的二次处理，且处理过程尽量降低其他因素的影响，仅以实现分辨率提升为主。

2 光束波前畸变检测技术及应用

2.1 光束波前检测技术

光束波前畸变检测技术属于测定光束偏转的关键技术，应保证这一技术便于实施，且具有较高的精准性。常用技术如下：(1)夏克哈特曼波前探测技术。夏克哈特曼波前探测技术可以直接使用光的直线性特点，完成几何模式的测量，较为便捷，属于一种常用的测量技术，但精准性还需继续提升。(2)剪切干涉测量方法。剪切干涉测量方法充分使用光的波动特点，实施干涉，保证光的波动性在可控状态，完成测量工作。(3)相位恢复测试法。相位恢复测试法是以焦面成像作为基础进行实施的方法。该方法注重相位恢复前后的差异测量。(4)接触探针测量方法。接触探针测量方法使用探针与待测光学表面连接，对每个测点的位置信息进行搜集，作为测量依据。在实践过程中，不同测量技术便捷性、精准度、适应性等各有不同，需要综合分析，合理选用，强化其效果。

2.2 光束波前畸变检测技术应用方案实例分析

2.2.1 应用方案

不同的波前畸变检测技术，优劣势各有不同，其具体应用方案也存在差异。整体而言，不同的波前畸变检测技术在应用时需要注重以下3点。

(1)开展测试需求调研。

在选择测试方案之前，科研人员应进行逆行测试需求分析，包括测试的精准度、测试的环境、测试的效率等。基于分析结果选择测试技术，避免盲目选择和应用带来的测试问题。

(2)对测试设备进行检查。

每一种测试工作需要依赖于相应的仪器设备才能完成测试，而相应的设备种类较多，不同设备的性能各有不同。因此，在进行设备选择时，应考虑其是否满足需求，并对其性能进行试验测试。

(3)保证操作过程的规范性。

在操作时，操作人员应严格按照程序和要求开展测试工作，避免人为因素导致的测量误差。为了实现上述目标，可以在测量时，采取多次实验测试，取平均值的方法，降低测量带来的误差。

2.2.2 实例分析

文章以干涉测量法为例，进行测量技术实例分析。详细的测量过程设计如下：

(1)测量需求整理。

科研人员主要对被测对象、所处环境、测量标准等实施整合与分析，并将结果作为测量技术应用的前提和基础。

(2)测量要点分析。

科研人员掌握测量工作开展过程中可能存在的影响因素，分析其注意事项，做好控制策略，尽量降低影响。

(3)测量设备选择。

在实例研究中，科研人员选择泰曼-格林干涉仪作为测验设备。该设备是在迈克尔逊干涉仪的基础之上进行改进的，性能相对较好。

(4)进行测试前的准备。

在使用这一设备测试时，需要基于待测面制作与之匹配的参考面，如果待测面较为复杂，难以模仿，则需要在参考面设计方面加大投入，尽量增强彼此的匹配度。

(5)开展测试工作。

测试工作要严格按照要求进行，多次测量取平均值。如果遇到误差较大的测量结果，则需要剔除，避免某一项失误对测量结果带来的影响。例如，要求测量误差在±0.5°以内，经过20次测量，存在误差为1°以上的结果，则需要剔除(见表1)。

表1 测试误差结果汇总(<±0.5°)

根据上述结果，剔除第6次和第14次测量结果，计算其他18次测量结果的平均值，具体为10.11°，作为本次测量的最终结果。

3 光束畸变补偿技术与应用

3.1 光束畸变补偿技术

当前，光束畸变补偿技术正处于快速发展阶段，在具体实施过程中，可以将波前校正器安置于光束相位畸变产生的相位反方向，起到间接补偿作用，从而尽量减小光学发射天线面型误差产生的光前畸变，实现激光天线增益、空间光通信终端的指向、减少误码发生概率等。波前校正和补偿器具主要包括常规的变形镜、基于MEMS技术的微变形镜、液晶空间光调制器等。其中，液晶空间光调制器应用范围较广，效果较好，属于常用的畸变补偿器具。在液晶空间光调制器的具体使用过程中，注重液晶电控双折射效应的产生，从而调整光束的具体相位，使光束尽量接近不受干扰状态下的相位。液晶属于正单轴晶体，在液晶两端位置加载电压，如果电压数值超出其规定范围，液晶分子受到电场作用力的影响，出现偏转效应。在这一状态下，光束射入会受到限制，产生波矢量与液晶光轴之间的角度变化，同时，E光也会受其影响，折射率改变。通过试验研究，如果液晶厚度保持不变，光束穿越液晶层之后，折射率变化，光程也发生变化，从而形成相位调制作用。这一技术具有高空间分辨率和较高的调制分辨率，耗能较低，不存在机械惯性作用带来的影响，可以灵活设置，适用于激光通信行业。

3.2 光束畸变补偿方案

具体的方案设计必须综合考虑各方面因素的影响，合理进行方案设置，尽量提升其有效性。详细的方案设计如下：

首先，分析光学天线质量及其产生的影响，尽量减少光学天线对光束波前的影响。具体操作时应搭建具有液晶空间光调制器波前补偿性能的光干涉法波前探测光，对波前探测光路实施试验测试，使其满足实际需求。

其次，进行测试。液晶空间光调制器仅适用于E光产生的电控相位调制，闭关通过光波偏振干涉作用，进行光束波前畸变测试。测试结果如果未能达到要求，则需要继续测试。

最后，处理测量得到的波前畸变数据。处理时，通过液晶空间光调制器加载补偿相位完成畸变补偿。

3.3 光束畸变补偿应用保障措施

在使用上述方法进行光束畸变补偿时，应注重相关干扰和影响的排除，尽量保证这一工作的精准性。

3.3.1 解决响应非线性问题

液晶会对施加的电压产生非线性影响，科研人员应注重这一影响的排除。具体操作时，科研人员可以对每一个SLM皆加载自定义的LUT，与之一一对应。将其用于输入灰度值时，输出的线性响应范围可以达到0～360°。所以，通过液晶空间光调制器开展畸变补偿工作之前，应关注液晶相位调制特点，对其进行精准测试，总结其存在的规律。简而言之，则是加载不同电压和灰度值时，应关注相位延迟量变化，借助差值法处理数据，产生LUT。

3.3.2 注重补偿结果检验

采取补偿措施之后产生的结构未必达到既定的目标，需要对补偿之后的结果与补偿之前的结果对比分析，并多次计量，得出结论。如果补偿未能达到标准，还需要采取方法改进。例如，上述的LUT在制定时，其合理性有待进一步完善，可以使用BP神经网络方法，强化其实际效果，得出较为优异的LUT。在使用这一方法时，可以根据补偿要求，进行标准设计，建立BP神经网络模型，对补偿所涉的内容进行学习，并对每一种设计结果进行学习之后的整体情况测试，包括其精准性、便捷性、经济性、波动性等，得出最优的设计方案。

4 结语

综上所述，面向空间激光通信的光束偏转与波前畸变补偿机制研究，能够为激光通信相关技术研究和产业发展提供有力支持，因此，应在有关方面加强研究投入，提升有关方面的研究层面和深度，助力于这一工作的良好运行。在这一过程中，科研人员应注重激光通信偏转技术、应用方案、实施影响因素分析，作为研究基础。同时，还应对光束波前畸变检测技术和相关的方案进行研究，保证其检测精准性。最后，对于畸变补偿方案进行设计和应用，有效优化处理结果，保证结果的精准性，为这一行业整体技术水平的提升奠定基础。