[发明专利]一种星载大气相干长度测试方法及星地相干光通信方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种星载大气相干长度测试方法及星地相干光通信方法。

背景技术

激光在均匀介质中传播的波阵面是均匀的，如果传输介质为湍流大气则由于光束截面内不同部分的大气折射率起伏，导致光束波阵面的不同部分产生不同的相位移动，因此在湍流大气中光束的波阵面是随机起伏的曲面，这种相位形变导致光束波前的到达角起伏，最终使得在接受孔径内像点发生抖动。

星地随机信道中的相干体制的激光通信，不但强度受到大气的衰减，其相位完整性也遭到破坏。大气相干长度是描述激光受大气干扰后的波前重要参数。大气相干长度r₀又称为弗里德(Fried)常数，其物理意义是光学系统对经过大气湍流扰动的光波成像时其分辨率不会超过口径为r₀的光学系统的衍射极限分辨率即光波经大气湍流传播后其相位扰动的空间相干尺度最大为r₀。因此r₀值越大表示大气条件越好。

地面测量大气相干长度检测，如图1所示采用差分像运动测量法(DIMM)测量大气相干长度。大口径中设有两个小口径接收单元，可测试大气湍流尺度；光强闪烁探测可采用PIN单元或高帧频CCD单元进行探测，分别得到光强时域测试数据，对其进行统计分析，可获得光强抖动方差和光强概率密度分布；通过对两个光斑的相对距离的变化，可获得信道的大气相干长度。

目前星地相干光通信系统实现方面，TeSAT公司的TerraSAR卫星的相干光通信终端与地面进行通信试验，其试验没有采用自适应光学系统补偿波面，并且建立的移动站在地面天文台附近，根据天文台测量大气湍流情况，根据地面大气相干长度确定是否可以进行星地相干光通信，其没有星上的相干长度检测方法。

目前星地相干光通信中，上行链路建立的前提条件是：选用弱大气湍流的高原建地面站，或者在星上建立自适应光学波前修正系统，现有地面的自适应光学波前修正精度是pi/4，并且把自适应系统应用在卫星上的器件不成熟。这样就限制星地相干光通信的上行链路的发展。

如图2所示，为自适应光学补偿过程原理图。光发射机发出的光束经过星地大气湍流后，地面波前传感器进行波前测量，然后通过波前复原算法重构出波前信息，波前控制器将波前传感器探测到的信号经过控制算法转化为波前校正器的控制信号，驱动波前校正器改变波前形状，从而有效地校正各种扰动对激光光束质量的影响，得到接近衍射极限的输出激光光束，最后经过自适应光学系统校正的光束送入通信系统接收机，进行光电转换，从而得到源信号。

星地光通信系统的下行链路中，光束经过长距离的真空传播，到达大气层顶部时.其直径已扩展得比大气湍流外尺度大，故大气湍流对光信号的影响基本上只有光束扩展和小尺度引起的闪烁效应，此时漂移效应可以忽略；而对于同等条件下的上行链路，光束漂移、扩展和闪烁效应同等重要。对于地面发射和星上接收的上行链路，采用预波前校正，其校正量来源于下行链路的地面接收的自适应光学的波前传感器量，由于上行链路和下行链路的不对称，所以波前预校正不能很完整的补偿出上行链路系统的测量。所以有必要对星上的接收部分，做大气相干长度检测，从而达到系统的通信的评估和对地面预失真的信号反馈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种星载大气相干长度测量的方法及星地相干光通信方法，以提高星地通信的可靠性。

本发明包括如下技术方案：

一种星载大气相干长度测试方法，包括如下步骤：

(1)对于星地相干光通信，在捕获跟踪的建立过程中，星载激光通信终端的光学天线接收到的光束，经光学通道传输到光混频移相器中，当光束进入光混频移相器的视场后，经过混频移相器的混频移相后，在270度移相或者在90度移相路径处分光；

(2)分出的光束经过扩束透镜组实现由窄光束变换成宽光束，再经两个孔径光阑透镜聚焦，成像在两个四象限探测器上；

(3)对两个四象限探测器获得的光斑信号，分别计算光斑重心位置坐标；

其中一个四象限探测器获得的光斑的重心位置坐标为(δx，δy)，另一个四象限探测器获得的光斑的重心位置坐标为(δx′，δy′)；

(4)通过如下公式计算大气相干长度r₀，