抑制空间激光通信系统中指向抖动和大气湍流影响的方法

技术领域

本申请涉及空间激光通信技术领域，特别是涉及一种抑制空间激光通信系统中指向抖动和大气湍流影响的方法。

背景技术

激光通信相比于传统的微波通信，具有频率高、光束范围小、抗电磁干扰小等特点，因为激光通信具有更高的传输速率，更好的通信保密性等优势。

传统的空间激光通信链路一般包括三个部分，分别是光学跟瞄系统、通信系统与传输信道，为了建立与保持空间激光通信链路，需要跟瞄系统负责瞄准、捕获与跟踪(PAT)，跟瞄系统一般包括粗瞄与精瞄系统。

基于现有的跟瞄装置可以实现良好的对准，即实现发射端与接收端的终端通信光轴对准，而实际中，首先，由于发射与接收的镜筒会受到摆动、振动与热膨胀等因素影响，会造成指向抖动从而光轴无法精确对准，指向抖动分为两部分，一部分是视轴误差，即固定的光束中心的偏移，这部分是机械系统设计时产生的；另一部分是抖动误差，即造成光束随机的在理想光束中心附近产生抖动，由于接收器件孔径有限，因此光束中心的偏移会导致接收光强减少，从而会降低系统的通信性能。

其次，激光在自由空间中传输，由于自由空间中大气一直处于运动状态，因此需要考虑大气湍流的影响，大气湍流主要会造成两方面的影响，一是由于大气折射率的随机起伏而引起的接收光强的随机起伏，被称作光强闪烁效应；而是由于接收处的光斑中心发生的随机偏移，被称作光束漂移效应，因此大气湍流会在指向抖动基础上进一步影响激光信号的传输，在空间激光通信系统中，当光束穿过大气层时，接收端的信号光强将发生随机变化，从而对整个系统的通信性能造成较大的影响。

因此，现有的跟瞄子系统可以实现良好的发射端与接收端的终端通信光轴对准，但由于指向抖动及大气湍流的影响，接收端的光强将产生随机变化，即造成接收端光强相比于无指向抖动及大气湍流影响下，可能增大也可能减小，导致通信质量低。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高通信质量的抑制空间激光通信系统中指向抖动和大气湍流影响的方法。

一种抑制空间激光通信系统中指向抖动和大气湍流影响的方法，所述方法包括：

监测空间激光通信系统中接收端接收到的信标光光强；

当监测到所述信标光光强小于预设校正标准值时，获取信标光光强改变百分比；

根据所述信标光光强改变百分比，从预设的第一映射关系表中，获取光强放大倍数；

根据所述光强放大倍数，调整第一掺铒光纤放大器对信标光的放大倍数，以及第二掺铒光纤放大器对信号光的放大倍数；

当监测到所述信标光光强大于预设校正标准值时，获取信标光光强改变百分比；

根据所述信标光光强改变百分比，从预设第二映射关系表中，获取偏摆镜角度；

根据所述偏摆镜角度，调节所述偏摆镜的角度，调整接收端接收所述信标光和所述信号光的光强。

在其中一个实施例中，所述预设校正标准值的确定方式，包括：

将所述空间激光通信系统中发射端的信标光开启为恒功率模式，所述偏摆镜处于初始位置，所述掺铒光纤放大器的放大倍数为未放大的条件下，连续采集预设时长接收端接收到的信标光光强；

根据所述信标光光强进行分析，获得信标光的平均光强；

将所述信标光的平均光强作为预设校正标准值。

在其中一个实施例中，所述预设的第一映射关系表的建立方式，包括：

将所述空间激光通信系统中发射端的信标光开启为恒功率模式，所述偏摆镜处于初始位置，所述掺铒光纤放大器的放大倍数为未放大的条件下；

根据所述掺铒光纤放大器的放大倍数按照预设倍数的间隔步进增大的方式，将掺铒光纤放大器的放大倍数从放大0dB逐步调整至放大10dB，并获取调整后对应的第一信标光标准光强；

根据所述第一信标光标准光强和所述预设校正标准值进行分析，获得第一标准光强改变百分比；

根据所述掺铒光纤放大器的放大倍数和所述第一标准光强改变百分比，生成所述掺铒光纤放大器的放大倍数与所述第一标准光强改变百分比的映射关系表；

所述掺铒光纤放大器的放大倍数与所述第一标准光强改变百分比的映射关系表作为预设的第一映射关系表。

在其中一个实施例中，所述预设的第二映射关系表的建立方式，包括：

将所述空间激光通信系统中发射端的信标光开启为恒功率模式，所述偏摆镜处于初始位置，所述掺铒光纤放大器的放大倍数为未放大的条件下；

根据所述偏摆镜从初始位置按照1毫弧度的步进调节方式，逐步调节至偏离初始位置20毫弧度，每个调节1毫弧度，获取调节后对应的信标光的第二信标光标准光强；

根据所述第二信标光标准光强和所述预设校正标准值进行分析，获得第二标准光强改变百分比；

根据所述偏摆镜的偏离角度和所述第二标准光强改变百分比，生成所述偏摆镜的偏离角度与所述第二标准光强改变百分比的映射关系表；

所述偏摆镜的偏离角度与所述第二标准光强改变百分比的映射关系表作为预设的第二映射关系表。

上述抑制空间激光通信系统中指向抖动和大气湍流影响的方法，通过监测空间激光通信系统中接收端接收到的信标光光强；当监测到信标光光强小于预设校正标准值时，获取信标光光强改变百分比；根据信标光光强改变百分比，从预设的第一映射关系表中，获取光强放大倍数；根据光强放大倍数，调整第一掺铒光纤放大器对信标光的放大倍数，以及第二掺铒光纤放大器对信号光的放大倍数；当监测到信标光光强大于预设校正标准值时，获取信标光光强改变百分比；根据信标光光强改变百分比，从预设第二映射关系表中，获取偏摆镜角度；根据偏摆镜角度，调节偏摆镜的角度，调整接收端接收信标光和信号光的光强。通过监测接收到的信标光的光强对空间激光通信系统的参数进行调整，从而实现同时抑制空间激光通信系统中指向抖动和大气湍流对信号光的光强的影响，从而提高了空间激光通信系统的通信质量。

附图说明

图1为指向抖动与半径偏移概率密度曲线示意图；

图2为大气湍流影响和大气湍流与指向抖动影响与接收光强概率密度曲线示意图；

图3为一个实施例中抑制空间激光通信系统中指向抖动和大气湍流影响的方法的应用场景示意图；

图4为一个实施例中抑制空间激光通信系统中指向抖动和大气湍流影响的方法的流程示意图；

图5为抑制前和抑制后的对比示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

对指向抖动和大气湍流的说明如下：

在实际情况下，存在指向抖动和大气湍流的影响。指向抖动分为视轴误差和抖动误差，如图1所示指向抖动与半径偏移概率密度曲线示意图，因为存在指向抖动的影响，因此接收端的半径会产生随机的偏移，其偏移符合一定的概率密度曲线，接收端光束中心的偏移进而会导致接收端光强减少，进而影响通信性能。由于接收天线半径有限，当光束产生偏移时，会造成接收到的光强减少，指向抖动对接收端半径偏移的概率密度函数为：

其中，ρ

同时，因为大气湍流的存在，会造成光强的随机偏移，在接收端，若接收位置距离光斑中心为r，则在弱起伏条件下，大气湍流对接收光强I的概率密度函数为：

其中，ρ

对于下行链路，由于指向抖动的影响无法忽略接收端的光束中心和探测器中心的半径偏移r，σ

其中，μ

其中，h是传输链路当前位置距离地面的高度，i是虚数单位，

其中，C

其中，ξ、Λ与Θ的表达式分别如下：

其中，R

对于半径r处的平均接收光强可以表示为：

其中，为光斑中心处的平均光强。

而激光在自由空间中传输时，同时会受到指向抖动和大气湍流的影响，因此根据上述指向抖动和大气湍流的影响，可以得出二者对接收光强的综合影响为

其中，ρ(I)是指向抖动和大气湍流对接收光强I的概率密度函数。

因此在指向抖动和大气湍流影响下，接收光强会产生随机抖动，可能大于理想平均接收光强或小于理想平均接收光强。如图2所示的大气湍流影响和大气湍流与指向抖动影响与接收光强概率密度曲线示意图，因为存在大气湍流的影响，因此接收端的光强将会在平均接收光强附近随机偏移。而指向抖动叠加上大气湍流的影响，将使接收光强的概率密度曲线向左移动，即在指向抖动与大气湍流的影响下，将有更大的概率接收到更小的接收光强，从而影响空间激光通信系统工作性能。

本申请提供的抑制空间激光通信系统中指向抖动和大气湍流影响的方法，可以应用于如图3所示的应用环境中。空间激光通信系统包括发射光终端A和接收光终端B。

发射光终端A，用于发射信标光和信号光，使用外调制的方式，利用调制器对光源进行调制，用于输出信号光，信标光放置于凸透镜1焦点上，通过凸透镜1将信标光变为平行光，信号光与信标光通过分光镜1进行合束，合束后的信号光与信标光通过发射天线的次镜1进行反射，然后通过发射天线的天线主镜1反射为平行光进行出射。

接收光终端B，用于接收信号光与信标光并进行反馈控制，信号光与信标光的合束光，被接收天线的天线主镜2接收并进行反射在次镜2上，被次镜反射后入射到分光镜2上，反射出来的90％信标光进入传统跟瞄子系统，进行粗瞄与精瞄。10％信标光与100％信号光透射过分光镜2，经过偏摆镜1与反射镜1，然后信标光全部被分光镜3反射至反射镜2，信号光全部透射分光镜3进入凸透镜2，信号光经过凸透镜2进行聚焦然后经过初始增益为0的EDFA1(第二掺铒光纤放大器)，然后被信号光探测APD(APD为雪崩光电二极管)所探测再进入信号处理单元。信标光被反射镜2反射，经过凸透镜3进行聚焦然后经过初始增益为0的EDFA2(第一掺铒光纤放大器)，然后被信标光探测APD(APD为雪崩光电二极管)所探测再进入控制单元。控制单元可通过当前信标光光强与预设校正标准值的关系来控制偏摆镜的偏摆角度，或者调整EDFA1和EDFA2的放大倍数。

其中，分光镜1，100％反射信标光，100％透射信号光。分光镜2，10％透射信标光，90％反射信标光，100％透射信号光。若反射信标光比例过小，容易对跟瞄子系统造成影响，为了尽量不影响原有跟瞄子系统，选择只透射10％信标光用于反馈控制。分光镜3，100％反射信标光，100％透射信号光。

在一个实施例中，如图4所示，提供了一种抑制空间激光通信系统中指向抖动和大气湍流影响的方法，以该方法应用于图3中的控制单元为例进行说明，包括以下步骤：

步骤S220，监测空间激光通信系统中接收端接收到的信标光光强。

其中，信标光光强是接收端接收到的信标光的光强。通过空间激光通信系统中接收端的信标光探测器获取信标光光强，根据信标光探测器获取信标光光强进行监测，监测可以是将实时获取的信标光光强与预设校正标准值进比较，确定获取的信标光光强是小于预设校正标准值，还是信标光光强大于预设校正标准值，还是信标光光强等于预设校正标准值，其中，信标光光强等于预设校正标准值，则可以确定空间激光通信系统未受指向抖动和大气湍流的影响，或者是受到指向抖动和大气湍流的影响较小，信标光光强是小于预设校正标准值，或者信标光光强大于预设校正标准值，则都需要抑制空间激光通信系统中指向抖动和大气湍流影响。

步骤S240，当监测到信标光光强小于预设校正标准值时，获取信标光光强改变百分比。

其中，预设校正标准值是空间激光通信系统处于在传统跟瞄子系统完全对准时，偏摆镜处于初始位置，EDFA1和EDFA2的放大增益为0时，接收端接收到信标光的光强。预设校正标准值可以通过在空间激光通信系统处于在传统跟瞄子系统完全对准时，偏摆镜处于初始位置，EDFA1和EDFA2的放大增益为0时，连续采集预设时长接收端接收到的信标光光强，计算信标光的平均光强获得预设校正标准值。

信标光光强改变百分比是基于监测到信标光光强的基础上，将接收端的信标光光强改变至预设校正标准值的变化百分比值，即：信标光光强改变百分比＝∣信标光光强-预设校正标准值∣/信标光光强×100％。

在一个实施例中，预设校正标准值的确定方式，包括：将空间激光通信系统中发射端的信标光开启为恒功率模式，偏摆镜处于初始位置，掺铒光纤放大器的放大倍数为未放大的条件下，连续采集预设时长接收端接收到的信标光光强；根据信标光光强进行分析，获得信标光的平均光强；将信标光的平均光强作为预设校正标准值。

其中，恒功率模式是信标光的工作模式为恒功率的工作模式。初始位置是偏摆镜处于使接收端接收到的信号光和信标光的光强最大的位置。预设时长是根据需要采集多长时间的需要确定信标光光强来获得信标光的平均光强确定，可以是5分钟，也可以是7分钟，还可以是10分钟、15分钟等等。实际情况下，由于天气变化情况，风速变化会对理论计算得到的预设校正标准值带来影响，因此选择在十分钟内连续采集信标光光强，进而获取信标光的平均光强作为预设校正标准值的准确度较高。

在一个场景中，在空间激光通信系统中，包含一个偏摆镜用于抑制光强，调节偏摆镜的角度使得接收端接收的光强最大，发射端增加信标光光源，在闭环回路建立后，将信标光设置为恒功率的工作模式，接收端的EDFA1和EDFA2的放大增益为0(即：掺铒光纤放大器的放大倍数为未放大)时，在十分钟内连续采集信标光光强，根据十分钟内连续采集信标光光强进行计算，进而获取信标光的平均光强作为预设校正标准值，存储在存储单元中。

步骤S260，根据信标光光强改变百分比，从预设的第一映射关系表中，获取光强放大倍数。

其中，光强放大倍数是指EDFA1和EDFA2调整后的放大倍数。预设的第一映射关系表是掺铒光纤放大器的放大倍数与所述第一标准光强改变百分比的映射关系表。根据信标光光强改变百分比，从预设的第一映射关系表中，获取光强放大倍数，如：根据信标光光强改变百分比，在预设的第一映射关系表中找到与信标光光强改变百分比相同的第一标准光强改变百分比，该第一标准光强改变百分比对应的掺铒光纤放大器的放大倍数，即为光强放大倍数；如没有相同的第一标准光强改变百分比，可以根据向上取整、向下取整或者选择间距最小的方式找到一个第一标准光强改变百分比，第一标准光强改变百分比对应的掺铒光纤放大器的放大倍数作为光强放大倍数，其中，最优的方式是选择间距最小的方式确定光强放大倍数。

在一个实施例中，预设的第一映射关系表的建立方式，包括：将空间激光通信系统中发射端的信标光开启为恒功率模式，偏摆镜处于初始位置，掺铒光纤放大器的放大倍数为未放大的条件下；根据掺铒光纤放大器的放大倍数按照预设倍数的间隔步进增大的方式，将掺铒光纤放大器的放大倍数从放大0dB逐步调整至放大10dB，并获取调整后对应的第一信标光标准光强；根据第一信标光标准光强和预设校正标准值进行分析，获得第一标准光强改变百分比；根据掺铒光纤放大器的放大倍数和第一标准光强改变百分比，生成掺铒光纤放大器的放大倍数与第一标准光强改变百分比的映射关系表；掺铒光纤放大器的放大倍数与第一标准光强改变百分比的映射关系表作为预设的第一映射关系表。

其中，预设倍数可根据实际情况设定，如0.1dB、0.5dB、0.6dB、0.7dB、0.8dB或1dB等等。将空间激光通信系统中发射端的信标光开启为恒功率模式，偏摆镜处于初始位置，掺铒光纤放大器的放大倍数为未放大的条件下，将掺铒光纤放大器从无放大到放大10dB，按照0.5dB的间隔来进行步进增大，每个步进一次测量2分钟的信标光光强，根据每个步进一次测量2分钟的信标光光强计算每个步进的信标光的平均光强，每个步进的信标光的平均光强即为每个步进的对应的第一信标光标准光强，每个步进后掺铒光纤放大器的放大倍数都对应了一个第一信标光标准光强，将每个第一信标光标准光强和预设校正标准值进行分析，得出每个第一信标光标准光强对应的第一标准光强改变百分比，最终得出掺铒光纤放大器的放大倍数和第一标准光强改变百分比的对应关系，形成掺铒光纤放大器的放大倍数与第一标准光强改变百分比的映射关系表，将此掺铒光纤放大器的放大倍数与第一标准光强改变百分比的映射关系表存储在存储单元中，掺铒光纤放大器的放大倍数与第一标准光强改变百分比的映射关系表如下(其中)：

步骤S280，根据光强放大倍数，调整第一掺铒光纤放大器对信标光的放大倍数，以及第二掺铒光纤放大器对信号光的放大倍数。

其中，第一掺铒光纤放大器是放大信标光的光纤放大器。第二掺铒光纤放大器是放大信号光的光纤放大器。根据光强放大倍数，将第一掺铒光纤放大器的放大倍数调整为光强放大倍数，调整后，可使接收端接收的信标光的光强与预设校正标准值的相同或相近；并同时将第二掺铒光纤放大器的放大倍数调整为光强放大倍数。

步骤S300，当监测到信标光光强大于预设校正标准值时，获取信标光光强改变百分比。

其中，信标光光强改变百分比是基于监测到信标光光强的基础上，将接收端的信标光光强改变至预设校正标准值的变化百分比值，即：信标光光强改变百分比＝∣信标光光强-预设校正标准值∣/信标光光强×100％。

步骤S320，根据信标光光强改变百分比，从预设第二映射关系表中，获取偏摆镜角度。

其中，偏摆镜角度是指偏摆镜偏离初始位置的偏离角度。预设第二映射关系表是偏摆镜的偏离角度与第二标准光强改变百分比的映射关系表。根据信标光光强改变百分比，从预设第二映射关系表中，获取偏摆镜角度，如：根据信标光光强改变百分比，在预设的第二映射关系表中找到与信标光光强改变百分比相同的第二标准光强改变百分比，该第二标准光强改变百分比对应的偏摆镜的偏离角度，即为偏摆镜角度；如没有相同的第二标准光强改变百分比，可以根据向上取整、向下取整或者选择间距最小的方式找到一个第二标准光强改变百分比，该第二标准光强改变百分比对应的偏摆镜的偏离角度作为偏摆镜角度，其中，最优的方式是选择间距最小的方式确定偏摆镜角度。

在一个实施例中，预设的第二映射关系表的建立方式，包括：将空间激光通信系统中发射端的信标光开启为恒功率模式，偏摆镜处于初始位置，掺铒光纤放大器的放大倍数为未放大的条件下；根据偏摆镜从初始位置按照1毫弧度的步进调节方式，逐步调节至偏离初始位置20毫弧度，每个调节1毫弧度，获取调节后对应的信标光的第二信标光标准光强；根据第二信标光标准光强和预设校正标准值进行分析，获得第二标准光强改变百分比；根据偏摆镜的偏离角度和第二标准光强改变百分比，生成偏摆镜的偏离角度与第二标准光强改变百分比的映射关系表；偏摆镜的偏离角度与第二标准光强改变百分比的映射关系表作为预设的第二映射关系表。

其中，将空间激光通信系统中发射端的信标光开启为恒功率模式，偏摆镜处于初始位置，掺铒光纤放大器的放大倍数为未放大的条件下，将掺铒光纤放大器从无放大到放大10dB，按照0.5dB的间隔来进行步进增大，每个步进来平均测量2分钟的信标光光强，根据每个步进一次测量2分钟的信标光光强计算每个步进的信标光的平均光强，每个步进的信标光的平均光强即为每个步进的对应的第二信标光标准光强，每个步进后偏摆镜的偏离角度都对应了一个第二信标光标准光强，将每个第二信标光标准光强和预设校正标准值进行分析，得出每个第二信标光标准光强对应的第二标准光强改变百分比，最终得出偏摆镜的偏离角度和第二标准光强改变百分比的对应关系，形成偏摆镜的偏离角度与第二标准光强改变百分比的映射关系表，将此偏摆镜的偏离角度与第二标准光强改变百分比的映射关系表存储在存储单元中，偏摆镜的偏离角度与第二标准光强改变百分比的映射关系表如下(其中)：

步骤S340，根据偏摆镜角度，调节偏摆镜的角度，调整接收端接收信标光和信号光的光强。

其中，偏摆镜角度是偏摆镜的偏离初始位置的偏离角度。根据偏摆镜角度，在偏摆镜的初始位置的基础上，将偏摆镜的角度调整至目标位置，该目标位置与初始位置的角度差为偏摆镜角度，调整后，可使接收端接收的信标光和信号光的光强与预设校正标准值的相同或相近。

上述抑制空间激光通信系统中指向抖动和大气湍流影响的方法，通过监测空间激光通信系统中接收端接收到的信标光光强；当监测到信标光光强小于预设校正标准值时，获取信标光光强改变百分比；根据信标光光强改变百分比，从预设的第一映射关系表中，获取光强放大倍数；根据光强放大倍数，调整第一掺铒光纤放大器对信标光的放大倍数，以及第二掺铒光纤放大器对信号光的放大倍数；当监测到信标光光强大于预设校正标准值时，获取信标光光强改变百分比；根据信标光光强改变百分比，从预设第二映射关系表中，获取偏摆镜角度；根据偏摆镜角度，调节偏摆镜的角度，调整接收端接收信标光和信号光的光强。通过监测接收到的信标光的光强对空间激光通信系统的参数进行调整，从而实现同时抑制空间激光通信系统中指向抖动和大气湍流对信号光的光强的影响。

在空间激光通信系统中，信标光与信号光的传输经过了大致相同的大气信道，当信号光受到指向抖动和大气湍流影响从而造成信号光接收光强增大或减少时，信标光的接收光强也会相应的增大或减少。虽然信号光与信标光的光强变化绝对值不相同，但信号光与信标光的光强变化百分比相同，因此，按照光强变化百分比改变同时信标光和信号光的光强大小。

进一步的，使用掺铒光纤放大器来进行信标光与信号光的放大，若在初始的时候设置掺铒光纤放大器具有一定的增益，当信标光接收光强偏小，可以增大掺铒光纤放大器的增益；当信标光接收光强偏大，可以减少掺铒光纤放大器的增益，这样可以省去使用偏摆镜来减少信标光与信号光的接收光强。但在这种结构设计下，即使信标光的光强与预设校正标准值相同，掺铒光纤放大器也需要设置具有一定的初始增益，这样比较耗费能量，且容易带来掺铒光纤放大器的噪声与散热等问题，因此考虑到以上这些因素，使用了偏摆镜来进行信标光接收光强偏大情况下的调整接收光强，可以将接收光强初始增益设置为0，节省了能源。

如图5所示抑制前和抑制后的对比示意图，在没有信标光同时抑制指向抖动和大气湍流时，接收光强将会在平均接收光强附近有较大的随机偏移，因此会影响系统的通信性能。在使用了上述抑制空间激光通信系统中指向抖动和大气湍流影响的方法后，接收光强会在平均接收光强0.2μw附近的抖动会得到比较好的抑制，因此本申请对空间激光通信系统中的指向抖动和大气湍流影响有较好的抑制作用，从而可以较好的提高系统的通行性能。

应该理解的是，虽然图4的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图4中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。