光电工程  2018, Vol. 45 Issue (3): 170647      DOI: 10.12086/oee.2018.170647     
自适应光学技术在星地激光通信地面站上的应用
芮道满1,2 , 刘超1,2 , 陈莫1,2,3 , 鲜浩1,2     
1. 中国科学院自适应光学重点实验室,四川 成都 610209;
2. 中国科学院光电技术研究所,四川 成都 610209;
3. 中国科学院大学,北京 100049
摘要:综述了自适应光学技术在星地激光通信地面站上应用的最新进展。针对星地链路中湍流效应导致的相干度退化和可用度降低的问题,自适应光学技术成为美国和欧洲等国正在研制的中继卫星至地光通信系统解决上述问题的主导手段。这些项目计划开展的自适应光学技术、白天和夜晚多地面站接收技术和相干通信技术等关键技术验证表明,星地激光通信正向高速相干和全天时高可用度的工程化推进。国内成功进行了多次星地光通信试验,高可用度的相干激光通信技术的验证正在积极开展,自适应光学技术已应用到多个地面站并取得了较好的初步试验效果,相关技术进展与国外水平保持一致。
关键词自适应光学    激光通信    地面站    
Application of adaptive optics on the satellite laser communication ground station
Rui Daoman1,2, Liu Chao1,2, Chen Mo1,2,3, Xian Hao1,2     
1. Key Laboratory of Adaptive Optics, Chinese Academy of Science, Chengdu, Sichuan 610209, China;
2. Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Science, Chengdu, Sichuan 610209, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: The advance of satellite to ground laser communication station using adaptive optics (AO) is summarized. Adaptive optics is the dominant technology to solve the atmosphere induced coherence degradation and availability reduction in the USA and Europe researching relay satellites. Key technologies, such as adaptive optics, muti-ground station receiving in day and night, and coherent communication are planned to test in these projects. It indicates that the satellite to ground laser communication is advancing to the engineering application with high date rate coherence and round-the-clock high availability. Several satellite to ground laser communication experiments have been successfully carried out in domestic, and the high availability coherent laser communication test is in progress. Adaptive optics technology has been applied in several ground stations and pretty results are obtained in the preliminary experiment. The related technology progress keeps in the same level with the foreign countries.
Keywords: adaptive optics    laser communication    ground station    

1 引言

随着超光谱成像和合成孔径雷达在卫星平台上的应用,产生的数据量大大增加,要求空间通信的带宽达到10 Gb/s量级以上,这将突破微波通信系统的理论带宽上限。空间激光通信系统以激光作为载波传输信息的技术,其潜在的通信带宽可以达到100 Gb/s量级以上,具有保密性好、体积小、重量轻、功耗低、抗干扰能力强以及不受无线电频率管制等优点,因此,自由空间激光通信为解决微波带宽瓶颈提供了有效手段[1-2]。以美国、欧洲为代表的发达国家已开展了一系列星间和星地激光通信演示系统,近年来开展的典型星地项目包括:2013年美国开展了40万千米链路的月球至地双向激光通信,上下行速率分别为20 Mb/s PPM (pulse position modulation)和622 Mb/s PPM[3],其面向更远距离的深空激光通信项目——火星至地的激光通信正在部署中。2014年NASA进行了国际空间站至地的下行50 Mb/s单向激光通信,其通信方式为Intensity Modulation/Direct Detection (IM/DD),误码率为10-4[4]。面向激光通信空间组网的需求,2019年美国将开展激光通信中继验证,其指标是实现45000 km的GEO至地的2.88 Gb/s DPSK (differential phase shift keying)双向激光链路[5]。根据NASA下一代(2024年)光通信中继卫星至地链路规划,其目标是实现下行速率为100 Gb/s,可用度为97%[6]。欧洲的光通信组网验证项目正在开展中,2015年9月德国成功进行了同步轨道Alphasat卫星LCT终端与地面站的1.8 Gb/s BPSK (binary phase shift keying)双向相干通信试验[7]。以欧洲空间局(ESA)主导的“全球网”EDRS项目预计2020年完成,其星地指标是实现GEO至地的1.8 Gb/s DPSK双向激光链路[8]。我国也开展了多次卫星至地激光通信验证,2011年11月,哈尔滨工业大学自行研制的光通信终端搭载于LEO卫星海洋二号上,和地面站之间建立了光通信链路,上行传输速率为20 Mb/s,下行传输速率为504 Mb/s,平均捕获时间小于5 s,这次实验是我国首次星地激光通信实验[9]。2016年8月,由中国科学院上海光学精密机械研究所牵头研制的星地高速相干激光通信实验载荷搭载量子卫星成功发射,其后开展了国内首次在轨相干激光通信试验,在星地链路距离1000 km以上、低仰角20°左右、下行通信速率5.12 Gb/s条件下,成功实现了图像传输,图片传输清晰[10]。2017年8月,哈尔滨工业大学进行了同步轨道光通信终端与地面5 Gb/s的通信试验,三束信标光、三束信号光、一束接收光,七个光轴同轴度达到微弧度量级[11]

从上述发展可以看出,欧美的近地轨道或同步轨道激光通信多采用BPSK或DPSK的相干通信模式,而深空通信多采用PPM调制的非相干通信模式。光通信正在向高速率高可用度终端、空间组网和深空光通信发展。AO技术作为解决星地激光链路中大气湍流效应引起的相干度退化和可用度降低的关键技术,国内外研究者在理论和实验方面进行了大量研究[12-14],而将AO技术应用于实际星地通信演示系统中尚处在起步阶段,本文综述了国外自适应光学地面站的最新成果,总结了星地光通信AO技术面临的新挑战和相关系统中采取的针对性措施,并介绍了我们的多套自适应光学地面站的研究进展。

2 国外自适应光学光通信地面站研究现状 2.1 美国 2.1.1 近地轨道卫星至地链路

继2014年国际空间站至地面的下行50 Mb/s OOK (on-off keying)单向激光通信后,为发展未来10 Gb/s~100 Gb/s带宽星地相干通信技术,2015年NASA喷气推进实验室联合波音公司等单位对Table mountain上的1 m口径地面站进行了改造,加装了1000单元的自适应光学系统,开展了世界首次星地链路自适应光学校正和单模光纤耦合的试验[15-16],其系统原理图如图 1所示,四路上行信标经中继光路后由主望远镜发射,下行信号光由主望远镜接收,经中继光路和AO系统后耦合进入单模光纤,并接入通信端机。通过对下行信号的三级跟踪(包括望远镜机架和两级FSM)和波前的AO校正,克服大气湍流和振动对光束的影响,实现了1 m口径光束至几微米光纤的耦合。

图 1 OPALS地面站配置波音的AO系统原理图[15] Fig. 1 Schematic of OPALS ground system showing addition of Boeing provided AO system[15]

试验结果如图 2所示,结果表明:AO闭环使信号光斑的Strehl比从开环的<0.02提高到0.6,耦合进入单模光纤的信号功率波动从开环的约30 dB降低到约8 dB,AO校正可以将单模光纤耦合均值功率提高16 dB。遗憾的是,由于原星载终端并非为几个Gb/s的相干通信设计,信号发散角为1 mrad,地面接收功率较弱导致未取得理想的通信效果。

图 2 AO系统开、闭环时进入光纤光功率概率分布[15] Fig. 2 Open and closed loop power in fiber probability distribution[15]
2.1.2 同步轨道卫星至地链路

美国同步轨道至地的激光通信中继项目由NASA戈达德空间飞行中心主导,麻省理工学院林肯实验室和NASA喷气推进实验室共同参与,旨在瞄准下一代先进卫星通信和数据服务的关键技术验证[17-18]。该激光通信终端计划于2019年发射,将开展为期2年至5年的多项通信技术测试,包括编码、测距、链路层协议和网络层协议。该项目的地面站具有几个新特点:1)多种通信模式,包括2.88 Gb/s uncoded DPSK和1.244 Gb/s coded DPSK的相干通信模式,以及311 Mb/s 16-PPM非相干通信模式,具体参数如表 1所示;2)多个地面站同时工作,卫星终端可同时与位于Table Mountain的1 m口径地面站OGS1和夏威夷的0.6 m口径地面站OGS2进行通信;3)自适应光学技术抑制大气湍流,两个地面站均研制了自适应光学系统。如图 3所示,OGS1地面站库德房平台上包括4路信标1路信号发射单元TX arm、捕获单元Acq和AO系统等,AO系统采用两级变形镜校正,LODM和HODM分别用于低空间频率大幅值和高空间频率小幅值湍流像差的校正,行程分别为3.5 μm和1.5 μm。波前探测WFS为哈特曼传感器,直接对1545 nm的下行信号光进行探测(占总能量的20%),探测器为Cheetah InGaAs相机,采样帧频可达10 kHz;OGS2地面站将配备140单元变形镜的自适应光学系统;4)可白天和夜晚工作。从这些特点可以看出,自适应光学技术成为美国高速率相干激光通信抑制大气湍流的主导技术,而多地面站和自适应光学技术结合将成为应对大气湍流和云雾等恶劣天气的手段。星地激光通信技术已处于工程实用化的前夜,相关技术验证系统从关注链路的短时可通性向高速率和全天时高可用度发展。

表 1 LCRD项目主要参数 Table 1 Main parameters of the LCRD project
名称 参数
通信模式 2.88 Gb/s uncoded DPSK
1.244 Gb/s coded DPSK
311 Mb/s 16-PPM
下行波长 1545 nm
上行信标波长、发散角及功率 1553 nm, 280 μrad and 4×2.5 W
上行信号波长、发散角及功率 1563 nm, 20 μrad and 10 W

图 3 LCRD光机布局图[18] Fig. 3 The opto-mechanical layout of the LCRD[18]
2.2 欧洲

欧洲的星地激光通信项目以德国航天中心(DLR)和欧洲空间局(ESA)主导的Alphasat计划和欧洲数据中继卫星系统为代表[19-21],其激光通信地面站位于西班牙的特纳利夫岛,包括1个26 cm口径的可移动式地面站和1个1 m口径的固定式地面站,两个地面站的相干接收均采用自适应光学校正后耦合至单模光纤的方式。

移动式地面站包括一个26 cm口径的接收望远镜和1个10 cm口径的发射望远镜,针对近地轨道或同步轨道应用设计了可调激光发射角功能。2015年9月其与位于同步轨道的Alphasat卫星光通信终端进行了多次1.8 Gb/s BPSK双向相干通信试验。地面站接收终端示意图如图 4所示,系统包括一个26 cm口径接收望远镜和一个10 cm口径发射望远镜,接收望远镜内部主要包括跟踪传感器AS和AO系统,AO系统配置了精指向镜FPM、12×12单元变形镜DM和波前传感器WFS,系统采样频率为6.7 kHz,闭环带宽为250 Hz。通过AO校正获得近衍射极限的下行信号光斑,从而实现单模光纤耦合,并接入通信端机RFE。

图 4 移动式自适应光学地面站光学原理图[20] Fig. 4 Optical diagram transportable adaptive optics ground station[20]

1 m口径光通信地面站正在进行AO系统配置升级,包括捕获探测器、精指向单元和468单元自适应光学系统,可工作在1064 nm和1550 nm两种波段,其目标是在强湍流r0≥5 cm下实现与近地轨道、同步轨道卫星的相干激光通信。

欧美激光通信地面站采用了不同口径和AO结构,光通信AO系统设计是还处在探索阶段,面临许多新挑战:1)高精度高稳定的波前校正,激光通信AO系统校正以单模光纤耦合效率为目标,高耦合效率需要高精度的波前像差和抖动校正[12]。传统天文应用中AO系统通常关心校正远场的平均SR值。激光通信更关注AO校正效果的瞬时和统计特性[22],由星地链路预算提出耦合效率下限值需求,进一步得到AO系统波前校正远场SR最小值要求,低于SR最小值将可能产生误码。2)激光通信AO系统工作湍流条件更恶劣,主要表现在向全天时工作方向发展;望远镜跟踪的目标高速运动,入瞳处将产生较强横向风;为提高与卫星的通信时间,望远镜需要工作至20°低仰角状态。正是由于激光通信对AO系统瞬时校正效果和强湍流工作的要求,欧美光通信地面站AO系统采用了高时间和空间分辨率的校正,如表 2所示,波前采样频率达到了10 kHz;美国LCRD的1 m口径地面站为了兼顾高的空间分辨率和大行程(>3.1 μm)的校正需求,采用了两级校正变形镜校正,高密度变形镜单元数达到了千单元级。

表 2 典型光通信地面站AO系统主要参数 Table 2 Main AO system parameters of the typical optical communication station
美国LCRD地面站 德国DLR移动地面站
望远镜口径 1 m 0.26 m
工作湍流条件 r0≥5.2 cm
λ=500 nm, 最大天顶角70°)
r0≥10 cm
λ=1064 nm)
工作时段 白天和夜晚 夜晚
单模光纤耦合效率 ≥55% -
波前探测波长 1545 nm 1064 nm
波前采样频率 10 kHz 6.7 kHz for GEO; 10 kHz for LEO
变形镜单元数 两级校正:12×12低密度变形镜和32×32高密度变形镜 12×12变形镜
3 国内自适应光学光通信地面站进展

国内自适应光学技术的研究以中国科学院自适应光学重点实验室为代表,具备研发几十单元至千单元AO系统能力,其核心器件倾斜镜、变形镜、波前探测器和实时控制系统可根据任务需求自主设计制造。近年来,已研制了多套AO系统应用于不同规模的激光通信地面站中,包括137单元AO系统结合0.6 m口径固定式地面站和移动式地面站各一套;357单元AO系统结合1.8 m口径地面一套,取得了初步的试验结果。

3.1 Φ0.6 m光通信地面站及试验

为解决飞机-地、近地/同步卫星-地和地面两个基站间相干激光通信链路大气湍流效应,研发了137单元AO系统结合0.6 m口径固定式的地面站和移动式的地面站各一套。AO系统原理图、校正器结构和子口径光斑如图 5所示,系统工作的信标/信号波长为831 nm/1550 nm,AO闭环频率为1600 Hz,探测灵敏度为-60 dBm。

图 5 AO单元的结构。(a) AO光路图;(b) 137单元连续面形变形镜;(c)波前探测器光斑 Fig. 5 Structure of the experimental AO unit. (a) The light path of the AO unit; (b) Photo of the 137-element continuous surface deformable mirror; (c) Image of the wavefront sensor

2017年4月在0.5 km水平链路对系统进行了>12 h的相干通信测试,通信模式为BPSK 5 Gb/s,同时用大气相干长度测试仪监视了r0的变化,在午后大气湍流达到2 cm (λ=550 nm)。整个测试过程中AO取得了较好的效果,AO系统闭环后平均功率为-42.3 dBm,相比开环增加7.4 dB,如图 6所示,AO闭环后眼图稳定张开,误码率由开环10-3下降到10-6以下。

图 6 通信速率5 Gb/s下眼图和误码率。(a) AO开环(09:50 am);(b) AO闭环(09:50 am);(c) AO开环和闭环误码率 Fig. 6 The eye patterns and BER at 5 Gb/s. (a) Without AO correction (09:50 am); (b) With AO correction (09:50 am); (c) The BER results
3.2 Φ1.8 m光通信地面站及试验

面向同步轨道-地的激光相干通信和更远距离的深空光通信,采用了大口径望远镜和大规模AO系统结合的技术路线,该技术路径可提高接收光功率和光束质量,降低系统跟踪要求。如图 7所示,目前已对高美谷1.8 m望远镜配备了357单元自适应光学系统,系统的主要功能包括:1)自适应光学校正,在r0≥9 cm时实现校正后光束质量SR≥0.8,校正后波前残差<0.1 μm,保证相干通信系统在低高度角强湍流效应下的可用度;2)三级跟踪和自适应光纤耦合,利用自适应光纤耦合器和随机并行梯度下降(stochastic parallel gradient descent,SPGD)算法校正大气湍流中整体倾斜像差[23],实现了<0.5 μrad(3σ)跟踪精度和≥30%的单模光纤耦合效率;3)多路信号/信标智能共轴技术,实现<2 μrad(3σ)的同轴度,相关结果如图 8所示。

图 7 (a) 1.8 m地面站照片;(b)地面站系统原理图 Fig. 7 (a) Picture of the 1.8 m ground station; (b) The schematic of the ground station

图 8 (a) 自适应光纤耦合器;(b) AO校正后近衍射极限信号光斑;(c) AO开启和关闭时波前残差RMS值 Fig. 8 (a) Picture of the adaptive fiber coupler; (b) The near diffraction limited RX spot achieved with AO; (c) Residual wavefront RMS with AO on and off
4 结论

1) 自适应光学技术成为美国和欧洲等国正在研制的中继卫星至地光通信系统解决大气湍流效应的主导手段,但至今只有少数几次AO校正的星地通信测试报道,相关测试结果也是阶段性的。国内已研发了多套不同口径的AO地面站,实现了根据链路特性设计AO系统的规模、排布形式和探测校正模块性能,在较强大气湍流下保证信号光至单模光纤的高效耦合,相关进展与国外水平保持一致。

2) 国外激光通信中继卫星地面站将进行自适应光学技术、白天和夜晚多地面站接收技术和高速相干通信技术等关键技术验证,表明星地激光通信正向高速相干和全天时高可用度的工程化推进。

参考文献
[1]
Gregory M, Heine F F, Kämpfner H, et al. Commercial optical inter-satellite communication at high data rates[J]. Optical Engineering, 2012, 51(3): 031202. DOI:10.1117/1.OE.51.3.031202
[2]
Liu C, Chen S Q, Liao Z, et al. Correction of atmospheric turbulence by adaptive optics in waveband of free-space coherent laser communication[J]. Optics and Precision Engineering, 2014, 22(10): 2605-2610.
刘超, 陈善球, 廖周, 等. 自适应光学技术在通信波段对大气湍流的校正[J]. 光学精密工程, 2014, 22(10): 2605-2610.
[3]
Sodnik Z, Smit H, Sans M, et al. LLCD operations using the Lunar Lasercom OGS Terminal[J]. Proceedings of SPIE, 2014, 8971: 89710W. DOI:10.1117/12.2045510
[4]
Abrahamson M J, Sindiy O V, Oaida B V, et al. OPALS: mission system operations architecture for an optical communications demonstration on the ISS[C]//SpaceOps 2014 13th International Conference on Space Operations, Pasadena, CA, 2014: AIAA-2014-1627. http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/6.2014-1627
[5]
John D M, Keith E W. The architecture of the laser communications relay demonstration ground stations: an overview[J]. Proceedings of SPIE, 2013, 8610: 86100L. DOI:10.1117/12.2010817
[6]
Cornwell D. NASA's optical communications program for 2017 and beyond[EB/OL]. (2017-10-12). http://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/03_don_cornwell_nasas_optical_comm_program_public_release_june_2017.pdf.
[7]
Seel S, Troendle D, Heine F, et al. Alphasat laser terminal commissioning status aiming to demonstrate GEO-relay for sentinel SAR and optical sensor data[C]//Proceedings of 2014 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), 2014: 100-101. http://ieeexplore.ieee.org/document/6946365
[8]
Böhmer K, Gregory M, Heine F, et al. Laser communication terminals for the European data relay system[J]. Proceedings of SPIE, 2012, 8246: 82460D. DOI:10.1117/12.906798
[9]
Wu F, Yu S Y, Ma Z T, et al. Correction of pointing angle deviation and in-orbit validation in satellite-ground laser communication links[J]. Chinese Journal of Lasers, 2014, 41(6): 0605008.
武凤, 于思源, 马仲甜, 等. 星地激光通信链路瞄准角度偏差修正及在轨验证[J]. 中国激光, 2014, 41(6): 0605008.
[10]
叶瑞优. 星地高速相干激光通信实验完成在轨测试[EB/OL]. (2017-01-20). http://www.cas.cn/syky/201701/t20170120_4589002.shtml.
[11]
齐昊. 马晶谭立英夫妇: 站上卫星激光通信领域世界之巅[EB/OL]. (2017-10-17). http://www.hlj.gov.cn/ztzl/system/2017/10/17/010851149.shtml.
[12]
Chen M, Liu C, Xian H. Experimental demonstration of single-mode fiber coupling over relatively strong turbulence with adaptive optics[J]. Applied Optics, 2015, 54(29): 8722-8726. DOI:10.1364/AO.54.008722
[13]
Liu C, Chen S Q, Li X Y, et al. Performance evaluation of adaptive optics for atmospheric coherent laser communications[J]. Optics Express, 2014, 22(13): 15554-15563. DOI:10.1364/OE.22.015554
[14]
Li M, Gao W B, Cvijetic M. Slant-path coherent free space optical communications over the maritime and terrestrial atmospheres with the use of adaptive optics for beam wavefront correction[J]. Applied Optics, 2017, 56(2): 284-297. DOI:10.1364/AO.56.000284
[15]
Wright M W, Kovalik J, Morris J, et al. LEO-to-ground optical communications link using adaptive optics correction on the OPALS downlink[J]. Proceedings of SPIE, 2016, 9739: 973904. DOI:10.1117/12.2211201
[16]
Wright M W, Morris J F, Kovalik J M, et al. Adaptive optics correction into single mode fiber for a low Earth orbiting space to ground optical communication link using the OPALS downlink[J]. Optics Express, 2015, 23(26): 33705-33712. DOI:10.1364/OE.23.033705
[17]
Roberts L C, Jr Burruss R, Fregoso S, et al. The adaptive optics and transmit system for NASA's laser communications relay demonstration project[J]. Proceedings of SPIE, 2016, 9979: 99790I.
[18]
Roberts W T, Antsos D, Croonquist A, et al. Overview of ground station 1 of the NASA space communications and navigation program[J]. Proceedings of SPIE, 2016, 9739: 97390B.
[19]
Saucke K, Seiter C, Heine F, et al. The Tesat transportable adaptive optical ground station[J]. Proceedings of SPIE, 2016, 9739: 973906. DOI:10.1117/12.2218275
[20]
Fischer E, Berkefeld T, Feriencik M, et al. Use of adaptive optics in ground stations for high data rate satellite-to-ground links[J]. Proceedings of SPIE, 2017, 10562: 105623L.
[21]
Heine F, Saucke K, Troendle D, et al. Laser based bi-directional Gbit ground links with the Tesat transportable adaptive optical ground station[J]. Proceedings of SPIE, 2017, 10096: 100960Y. DOI:10.1117/12.2252826
[22]
Védrenne N, Conan J M, Petit C, et al. Adaptive optics for high data rate satellite to ground laser link[J]. Proceedings of SPIE, 2016, 9739: 97390E.
[23]
Li F, Geng C, Li X Y, et al. Phase-locking control in all fiber link based on fiber coupler[J]. Opto-Electronic Engineering, 2017, 44(6): 602-609.
李枫, 耿超, 李新阳, 等. 基于光纤耦合器的全光纤链路锁相控制[J]. 光电工程, 2017, 44(6): 602-609.