機載空間激光通信大氣附面層影響及補償技術(shù)研究

高天元，胡源，姜會林，王志堅（.長春理工大學光電工程學院，吉林長春300；.長春理工大學空間光電技術(shù)研究所，吉林長春300）

機載空間激光通信大氣附面層影響及補償技術(shù)研究

高天元1，胡源2，姜會林2，王志堅1
（1.長春理工大學光電工程學院，吉林長春130022；2.長春理工大學空間光電技術(shù)研究所，吉林長春130022）

隨著空間激光通信技術(shù)的發(fā)展，大氣環(huán)境對機載空間激光通信的影響越來越突出，大氣附面層是其中一個重要的因素。為了研究大氣附面層對通信的影響，在機載激光通信試驗中觀察現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，從衍射光學理論著手，對試驗中存在的附面層影響進行理論上探討。研究結(jié)果表明：大氣附面層對空間激光通信的影響，是在系統(tǒng)前附加一個焦距在-530 m的負透鏡，造成系統(tǒng)焦距變化，光斑擴散，從而影響通信效果。這種影響可以通過在系統(tǒng)中增加補償透鏡的方式進行補償，并進行了相應的補償試驗。試驗結(jié)果表明：大氣附面層對空間激光通信的影響，完全可以通過光學方法進行補償，補償效果滿足空間通信要求，為以后機載空間激光通信的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

通信技術(shù)；空間激光通信；附面層；附加焦距；補償

0　引言

由于空間激光通信的高速率、高指向性、保密性好等特點，越來越受到各國的重視?？臻g激光通信鏈路包括地對地、飛機對地面、飛機之間、衛(wèi)星對地面、衛(wèi)星間和飛機對衛(wèi)星等。大氣對空間激光通信性能影響的補償是機載空間激光通信的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。大氣對空間激光通信性能的影響主要包括氣動光學效應、大氣湍流效應、大氣散射效應等。其中，氣動光學效應，即高速飛行使空氣與保護罩表面相互作用，將形成一個密度和溫度分布不均且不斷變化的流場，此流場即大氣附面層，其對光學系統(tǒng)產(chǎn)生的影響主要有像模糊、光偏移、像抖動的現(xiàn)象[3-4]。像模糊是由于空氣密度脈動功率譜處于高頻部分的湍流產(chǎn)生的，同時，由相當于一個負透鏡的層流場引起像面離焦產(chǎn)生的光斑彌散也表現(xiàn)為像模糊的現(xiàn)象。光偏移是目標光線經(jīng)過高速流場，由于流場密度、密度梯度、流場結(jié)構(gòu)（激波層、邊界層）產(chǎn)生的相當于偏心軸效應引起的。像抖動是由密度脈動功率譜低頻段的湍流產(chǎn)生的[5-6]。光偏移影響的是光軸同軸度，光抖動影響的是系統(tǒng)跟蹤精度。由于機載光端機收發(fā)共口徑，所以光偏移對同軸度的影響可以忽略，像抖動也可以由高速跟蹤裝置來克服。而光斑彌散引起的像模糊的現(xiàn)象，對于通信接收系統(tǒng)將引起有效探測能量的嚴重下降，對于發(fā)射系統(tǒng)引起發(fā)射光束角度的擴展，對于精信標接收系統(tǒng)將引起跟蹤精度下降。因此像模糊是空間激光通信光學系統(tǒng)必須重點解決的問題。

對于大氣附面層的影響，國際上早在20世紀80年代就開始研究。美國率先系統(tǒng)地進行了氣動光學效應機理研究，建立了一系列完整的氣動光學效應機理及置信度較高的數(shù)據(jù)庫和數(shù)學模型，開發(fā)了完整的氣動光學分析軟件，并提出了多種氣動光學效應校正新原理、新方法[2，7-8]。但這些理論都是在風洞試驗、數(shù)值模擬等基礎(chǔ)上建立起來的，補償方法也是以圖像處理方法為主，應用光學理論研究附面層的影響以及補償方法未見報道。

國內(nèi)在20世紀90年代，殷興良開始氣動光學的研究，其主要研究對象是高速流場光學傳輸效應、高速流場熱輻射效應和光學頭罩氣動熱效應的形成機理應及其補償方法。主要關(guān)注的是密度場的問題[9]。應用光學理論研究附面層的影響以及補償方法也未見報道。

本文結(jié)合機載空間激光通信試驗中觀察到的附面層效應，應用光學理論來研究附面層引起像面離焦產(chǎn)生的光斑彌散現(xiàn)象及其補償方法。

1　光學系統(tǒng)及試驗現(xiàn)象

空間激光通信光學系統(tǒng)為收發(fā)共口徑系統(tǒng)，其系統(tǒng)前部為卡氏系統(tǒng)，后部包括精信標收發(fā)系統(tǒng)和通信收發(fā)系統(tǒng)，圖1為包含精信標接收系統(tǒng)和通信接收系統(tǒng)兩個子光路的光學系統(tǒng)示意圖。

圖1　精信標及通信接收光路示意圖Fig.1　Fine beacon and communication receiving system

精信標接收系統(tǒng)的作用是接收對方發(fā)射的信標光，在CCD上成像，為跟蹤系統(tǒng)提供信號，控制跟蹤系統(tǒng)為通信系統(tǒng)提供穩(wěn)定的通信鏈路。通信接收系統(tǒng)接收對方發(fā)射的編碼激光信號，經(jīng)過APD后轉(zhuǎn)換成電信號再解碼，還原成數(shù)字信號，完成通信過程。

由于APD探測器接收的是激光脈沖信號，只能檢測接收到的激光脈沖能量的變化，無法檢測大氣對光學系統(tǒng)的影響，而精信標接收系統(tǒng)接收的是光斑圖像，可以通過觀察光斑變化來研究大氣的影響，所以本文以精信標接收系統(tǒng)為研究對象。

圖2為精信標接收和通信接收光學系統(tǒng)的點列圖，可見，精信標接收系統(tǒng)像面軸上點為艾利斑，半徑12μm.

為了保證飛行試驗，系統(tǒng)裝調(diào)完成后，進行了地面定點通信試驗。圖3為地面通信試驗時精信標接收系統(tǒng)接收到的光斑，在像面中心疊加了十字光標，光斑直徑約50μm，與設(shè)計值相比擴大了一倍，這是由于系統(tǒng)存在裝調(diào)誤差以及大氣湍流引起的光斑擴散，是不可避免的。地面試驗結(jié)果表明，這種由于大氣湍流引起的光斑擴散對通信質(zhì)量影響很小。

2013年開展了機載激光通信飛行試驗，飛行高度約4 km，飛行速度的馬赫數(shù)約為0.3.此時精信標接收系統(tǒng)接收到的光斑產(chǎn)生了嚴重的彌散現(xiàn)象，如圖4所示，光斑直徑約為整個像面的1/3.

為了提高系統(tǒng)跟蹤精度，精信標接收系統(tǒng)接收面尺寸設(shè)計值僅為800μm×800μm，可以計算光斑彌散后直徑約270μm.

圖3　地面試驗時精信標接收的光斑Fig.3　Spot received by fine beacon receiving system in ground experiment

圖4　探測器上的光斑彌散形狀Fig.4　Spot shape on detector

2　理論分析

以光學系統(tǒng)像面附近空間光強分布來分析產(chǎn)生這種試驗現(xiàn)象的原因。

對于光學系統(tǒng)來說，由于其口徑為圓形，所以其衍射也為圓孔衍射[7]。為了計算像面附近空間任一點的光強分布，在像面處建立直角坐標Oxyz，x軸為光軸方向，Oyz為像平面。由于光學系統(tǒng)是軸對稱的，故Oxy平面和Oxz平面情況相同。在Oxy平面上，如圖5所示，x1=b1-R，x2=b2-R，y=ρ，sin u′≈tan u′=a/R.

圖5　Oxy平面示意圖Fig.5　Schematic diagram of Oxy plan

此時，像點附近空間任意點P的菲涅爾衍射復振幅表達式[8]為

式中：a為系統(tǒng)半口徑；ρ為接收面上任意點到光軸的距離。經(jīng)推導并將接收面處軸上點光強歸化為1，可得

（2）式改為

式中：

則P點光強為

（7）式便是圓孔夫瑯禾費衍射光強計算公式。這表明在成像系統(tǒng)的像面上是夫瑯禾費衍射，在其他空間區(qū)域為菲涅耳衍射。

圖6和圖7為用Matlab根據(jù)（4）式、（5）式繪制的光強分布曲線，其中參數(shù)根據(jù)精信標接收系統(tǒng)實際參數(shù)確定。由圖6可看出，在像面上，光強集中，形成艾利斑，其直徑約30μm，與設(shè)計值一致。由圖7可以看出在|x|=2λ/sin2u′垂軸截面處，光斑直徑約擴展到0.3mm，并存在明顯中心空洞。

圖6　像面上的光強分布曲線Fig.6　Curve of intensity distribution on image plane

前文提到的試驗現(xiàn)象，光斑彌散至整個像面1/3，約270μm，可知此時x=b-R≠0，探測面已經(jīng)不是理想像面，衍射也由夫瑯禾費衍射變?yōu)榉颇鶢栄苌?。對于裝調(diào)完成的光學系統(tǒng)，探測器接收面已經(jīng)固定，即b為定值，由于x≠0，則b≠R，也就是系統(tǒng)焦距產(chǎn)生變化，從而引起系統(tǒng)離焦，造成光斑擴散。

光學系統(tǒng)原始的理想狀態(tài)，光斑應接近艾利斑。采用光學軟件進行仿真，這種程度的離焦，相當于在光學系統(tǒng)前端附加了-530m焦距的透鏡。附加透鏡后，精信標接收系統(tǒng)點列圖如圖8（a）所示，通信接收系統(tǒng)點列圖如圖8（b）所示。

圖7　|x|=2λ/sin2u′垂軸截面光強分布曲線Fig.7　Lateral intensity distribution curve for|x|=2λ/sin2u′

圖8　離焦系統(tǒng)點列圖Fig.8　System spot diagram of out-of-focus

由此可知，機載通信光端機在工作中，附面層效應相當于在光學系統(tǒng)前附加一個負透鏡引起系統(tǒng)焦距變化，從而造成系統(tǒng)離焦，產(chǎn)生光斑彌散的現(xiàn)象。

3　補償試驗

對于附面層引起的離焦現(xiàn)象，采用附加焦距相當?shù)恼哥R，使得x=b-R=0，將菲涅爾衍射重新修正為夫瑯禾費衍射，就可以有效地補償。圖9為應用光學軟件模擬加入補償透鏡后光學系統(tǒng)點列圖，補償透鏡的焦距為500 m.由圖9可看出，只要精信標接收系統(tǒng)的像質(zhì)得到補償，通信接收系統(tǒng)也得到了相應的補償，能夠滿足通信的要求。

圖9　補償后系統(tǒng)點列圖Fig.9　System spot diagram after compensation

考慮到通信系統(tǒng)為雙端工作的兩個系統(tǒng)，由于加工裝調(diào)誤差，離焦量和理論值有一定差距，而且兩端不對稱，因此加工了一系列的補償透鏡進行試驗驗證。

補償透鏡焦距要求達到500m，加工困難，且加工后無法檢測，所以補償透鏡加工成平凸透鏡，平面的面型控制在兩個光圈以內(nèi)，凸面由于接近平面，也按平面加工，但根據(jù)焦距不同，控制其光圈數(shù)，可以得到接近于設(shè)計值的透鏡。加工的兩塊補償透鏡選擇常用的K9玻璃，其凸面控制的光圈數(shù)分別為17、21、28，經(jīng)過計算，其焦距分別為550 m、450 m、330m.由于加工以及判讀誤差，所計算的焦距值與透鏡實際焦距存在一定的誤差，但只要求補償透鏡滿足通信要求即可。

圖10為不同焦距的補償透鏡對離焦現(xiàn)象的補償效果圖。

圖10　增加透鏡后光斑補償效果Fig.10　Spot compensation effectwith additional lens

經(jīng)過試驗，最終采用焦距450 m的透鏡對附面層效應進行補償。試驗結(jié)果表明，此透鏡對高速飛行引起的光學系統(tǒng)離焦現(xiàn)象進行了有效補償，滿足試驗要求，可以保證激光通信系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

4　結(jié)論

本文在圓孔衍射理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)探測器像面光強分布的變化，來研究系統(tǒng)實際工作過程中附面層的影響。

理論分析表明，理想光學系統(tǒng)像面處為夫瑯禾費衍射，在其他空間區(qū)域為菲涅耳衍射。激光通信光端機搭載機載空間平臺時，由于附面層的存在，相當于系統(tǒng)附加一個焦距為-530 m的負透鏡，系統(tǒng)總焦距發(fā)生變化，引起系統(tǒng)離焦，光斑擴散，衍射由瑯禾費衍射轉(zhuǎn)變成菲涅耳衍射。由于APD接收面的限制，擴散后的光斑超出APD接收范圍，造成通信系統(tǒng)接收到的激光能量嚴重下降，甚至接收到的能量低于APD響應閾值，無法通信。

由附面層引起的系統(tǒng)離焦，光斑擴散，經(jīng)光學軟件模擬，可以由增加補償透鏡的方法進行補償。經(jīng)過試驗，焦距為450m的補償透鏡補償效果滿足系統(tǒng)通信要求。補償透鏡的實際焦距與軟件模擬的焦距存在一定的誤差，這是由于系統(tǒng)存在裝調(diào)誤差和補償透鏡加工誤差，不影響系統(tǒng)通信性能。

此次試驗，由于條件限制，只是進行了馬赫數(shù)為0.3、4 km高空的飛行試驗，更高速度及高度的試驗沒有進行，但本次試驗的結(jié)果證明了應用衍射光學理論可以解釋大氣附面層對系統(tǒng)的影響，應用補償透鏡的方法可以補償大氣附面層的影響，為今后工作的開展奠定了良好的基礎(chǔ)。

（References）

[1]姜會林，劉志剛，佟首峰，等.機載激光通信環(huán)境適應性及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].紅外與激光工程，2007，36（增刊）：299-302. JIANG Hui-lin，LIU Zhi-gang，TONG Shou-feng，et al.Analysis for the environmental adaptation and key technologies of airborne laser communication system[J].Infrared and Laser Engineering，2007，36（S）：299-302.（in Chinese）

[2]董航，張建柱，徐明.機載光學平臺平均流場氣動光學效應研究[J].光學學報，2012，32（2）：17-21. DONG Hang，ZHANG Jian-zhu，XU Ming.Simulation on mean flow-field aero-optic effect of airborne optical platform[J].Acta Optica Sinica，2012，32（2）：17-21.（in Chinese）

[3]韓成，楊華民，佟首峰，等.大氣附面層對空地激光通信鏈路影響的研究與仿真[J].紅外與激光工程，2006，35（增刊）：358-362. HAN Cheng，YANGHua-min，TONG Shou-feng，etal.Study and simulation of air boundary layer's influence on laser communication link between space and land[J].Infrared and Laser Engineering，2006，35（S）：358-362.（in Chinese）

[4]Gilbert K G，Otten L J.Aero-optical phenomena[M].New York：AIAA，1982.

[5]LademanA J，Motook W O，Barber D D.Aero-optics effects of airborne laser turrets[J].AIAA-87-1397.

[6]胡源，付躍剛，姜會林.臨近空間激光通信光學系統(tǒng)氣動光學仿真分析[J].長春理工大學學報：自然科學版，2013，36（1/2）：1-3. HU Yuan，F(xiàn)U Yue-gang，JIANG Hui-lin.The aero optics effect on near space laser communication optical system[J].Journal of Changchun University of Science and Technology：Natural Science，2013，36（1/2）：1-3.（in Chinese）

[7]孫寧.機載激光通信氣動光學影響的仿真分析[D].長春：長春理工大學，2008. SUN Ning.Simulation analysis of aircraft-borne laser communication aero-optics effects[D].Changchun：Changchun University of Science and Technology，2008.（in Chinese）

[8]王志堅，王鵬，劉智穎.光學工程原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010. WANG Zhi-jian，WANG Peng，LIU Zhi-ying.The principle of optical engineering[M].Beijing：National Defense Industry Press，2010.（in Chinese）

[9]殷興良.現(xiàn)代光學新分支學科——氣動光學[J].中國工程科學，2005，7（12）：1-6. YIN Xing-liang.A new subdiscipline of contemporary optics：aerooptics[J].Engineering Science，2005，7（12）：1-6.（in Chinese）

The Effect of Atmosphere Boundary Layer on Airborne Space Laser Communication and Its Com pensation Technology

GAO Tian-yuan1，HU Yuan2，JIANG Hui-lin2，WANG Zhi-jian1
（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，Jilin，China；2.Institute of Space Photoelectric Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，Jilin，China）

With the development of space laser communications technology，the atmospheric environment has a prominent effect on the airborne space laser communication，and the atmospheric boundary layer is one of themain influencing factors.To study the effect of atmospheric boundary layer on the communication，the influence of the boundary layer is discussed based on the airborne laser communications experiment and the theory of diffraction optics.The results show that the effectof atmospheric boundary layer on the space laser communications system is due to attaching a negative lenswith focal length of-530m in front of the system to cause the change of system focal length and the spot diffusion.The effect can be compensated by increasing a compensative lens in the system，and the corresponding compensation tests are carried out.The results show that the effectof the atmospheric boundary layer on the space laser communication can be compensated by opticalmethod，and the compensationmeets the requirements of space communication.

communication technology；space laser communication；boundary layer；additional focal length；compensation

TN929.12

A

1000-1093（2015）12-2278-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.12.010

2014-11-18

國家自然科學基金項目（2010AA7010106）

高天元（1970—），男，副研究員。E-mail：gty@cust.edu.cn